Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| линейный
коллайдер.) Так что прото- ны все же побеждают в соревновании с точки зрения как чистой энергии, так и исследовательских возможностей. Протоны можно разогнать до достаточно высоких энергий, чтобы их составные ча- сти — кварки и глюоны — несли больше энергии, чем ускоренный электрон. Надо сказать, что оба типа коллайдеров — и протонные, и электронные, — многое рассказали физикам об элементарных частицах. Коллайдеры, оперирующие пучком электронов, не рабо- тают с такими высокими энергиями, какие достигаются в лучших протонных ускорителях. Но эксперименты на коллайдерах с элек- тронными пучками позволяют провести более точные измерения; на протонных коллайдерах о такой точности не приходится даже мечтать. В частности, проведенные в 1990-е гг. эксперименты 144 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА на SLAC и на Большом электронно-позитронном коллайдере LEP в Европейском центре ядерных исследований помогли проверить предсказания Стандартной модели элементарных частиц с впечат- ляющей точностью. Эксперименты, связанные с точным измерением электро- слабых взаимодействий, помогли исследовать множество самых разных процессов. К примеру, были измерены массы переносчи- ков слабого взаимодействия, скорости распада на разные типы частиц, а также явления асимметрии в сигналах регистрируемых передней и задней (по отношению к движению частиц) частями детектора. Точное измерение электрослабых взаимодействий стало воз- можным в результате разумного применения эффективной тео- рии. Как только физики смогли провести достаточное количество экспериментов, чтобы точно определить некоторые параметры Стандартной модели (к примеру, силы, задействованные в каждом из фундаментальных взаимодействий), оказалось, что все осталь- ное можно предсказать. Ученые проверяют все эксперименталь- ные данные на непротиворечивость и ищут отклонения, которые могли бы указать на какое-то недостающее звено. До сих пор все известные наблюдения и измерения указывают на то, что Стан- дартная модель прекрасно работает — настолько хорошо, что мы до сих пор не имеем никаких зацепок, по которым можно было бы судить, что нас ожидает на следующем уровне. Пока ясно одно: что бы это ни было, его влияние при достигнутых на LEP энергиях чрезвычайно слабо. Из этого можно сделать вывод о том, что получить больше ин- формации о еще более тяжелых частицах и еще более энергич- ных взаимодействиях невозможно без прямого исследования про- цессов, протекающих при энергиях, значительно более высоких, чем все, что удалось достичь на LEP и SLAC. В столкновениях элек- тронов попросту не будут получены энергии, нужные, по мнению ученых, для ответа на вопрос о том, что придает частицам массу и почему они обладают именно такой массой, какой обладают, по крайней мере этого не удастся сделать в ближайшем будущем. Для ответа на эти вопросы нужны столкновения протонов. «ВИДЕТЬ» — ЗНАЧИТ ВЕРИТЬ 145 Вот почему физики решили разгонять в тоннеле, построенном в 1980-е гг. для LEP, протоны, а не электроны. В конце концов Центр вывел LEP из эксплуатации, чтобы дать дорогу новому колоссаль- ному проекту — Большому адронному коллайдеру. Поскольку про- тоны излучают во много раз меньше энергии, чем электроны, сам процесс разгона проходит гораздо более эффективно, и протоны удается разогнать до более высоких энергий. При столкновениях протонов, конечно, возникает больше мусора, чем при столкнове- ниях электронов, и перед экспериментаторами встает множество сложнейших проблем, но при работе с пучком протонов появляет- ся шанс задействовать в одном столкновении достаточно высокие энергии и получить прямой ответ на вопрос, который не дает нам покоя уже несколько десятилетий. Но, прежде чем окончательно решить, какие именно частицы сталкивать в коллайдере, мы должны ответить еще на один во- прос. Итак, в столкновении участвует два пучка. Мы уже реши- ли, что один из пучков должен состоять из протонов. Но из чего должен состоять второй пучок — из тех же частиц (протонов) или из соответствующих античастиц (антипротонов)? Масса про- тона и антипротона одинакова, поэтому и излучают они при раз- гоне одинаково, поэтому при выборе между тем и другим следует использовать иные критерии. Ясно, что протонов в окружающем нас мире гораздо больше, чем антипротонов. Антипротон практически невозможно встре- тить просто так, случайно, ведь если бы он появился, то тут же аннигилировал бы с одним из многочисленных протонов, пре- вратившись в энергию или другие, более элементарные частицы. Почему же тогда вопрос об использовании антипротонов вообще рассматривается? Какую выгоду мы от них получим? Ответить на этот вопрос можно просто: немалую. Во-первых, разгонять пучки будет проще, поскольку одно и то же магнитное поле можно использовать для разгона протонов и антипротонов в противоположных направлениях. Но главный аргумент — части- цы, которые можно получить при столкновении. Частицы и античастицы обладают одинаковой массой, но про- тивоположным зарядом. Это означает, что суммарный заряд стал- 146 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА кивающихся частиц вполне соответствует заряду, который может нести чистая энергия, — а именно нулевому заряду. Согласно фор- муле E = mc 2 это означает, что при столкновении частица и анти- частица могут целиком превратиться в энергию, которая, в свою очередь, может породить любую другую пару частица — антича- стица; для этого нужно лишь, чтобы новая пара не была слиш- ком тяжелой и обладала достаточно сильным взаимодействием с первоначальной парой. Возникшие частицы могут оказаться совершенно новыми и обладать зарядом, отличным от заряда частиц Стандартной модели. У новой пары нет суммарного заряда, как и у первона- чальной пары. Поэтому даже если заряды новых частиц будут отличаться от зарядов Стандартной модели, вместе они будут иметь нулевой заряд и — по крайней мере в принципе — смогут возникнуть. Попробуем рассмотреть с этой точки зрения электроны. При столкновении двух частиц с одинаковыми зарядами, к при- меру двух электронов, можно получить только объекты с тем же суммарным зарядом. Могут родиться либо один объект с двойным зарядом, либо два разных объекта, которые, подобно электронам, будут нести на себе единичный заряд. Это несколько ограничивает наши возможности. Итак, столкновение двух частиц с одинаковым зарядом сильно ограничивает экспериментаторов. С другой стороны, столкнове- ние частицы и античастицы открывает множество новых путей, в противном случае невозможных. При электронно-позитрон- ном столкновении (а именно так работал LEP) возникает гораз- до больше потенциальных возможностей, чем при столкновении двух электронов, — ведь и число возможных конечных состояний гораздо больше. К примеру, именно в столкновениях электронов с соответствующими античастицами — позитронами — были на- ряду с множеством достаточно легких пар частица — античастица получены и тяжелые незаряженные частицы, такие как калибро- вочный Z-бозон. Хотя за использование античастиц в столкнове- ниях приходится дорого платить — слишком уж сложно их хра- нить, — выигрыш тоже достаточно велик, особенно в тех случаях, «ВИДЕТЬ» — ЗНАЧИТ ВЕРИТЬ 147 когда новые частицы, которые мы надеемся обнаружить, облада- ют не такими зарядами, как исходные. В последнее время в самых высокоэнергетических коллайдерах ученые использовали один пучок протонов и один пучок антипро- тонов. Для этого потребовался, конечно, надежный способ полу- чения и хранения антипротонов. Вообще, способ эффективного хранения антипротонов — одно из серьезнейших достижений CERN. Еще до того, как там был создан электронно-позитронный коллайдер LEP, европейская лаборатория работала с высокоэнер- гетическими пучками протонов и антипротонов. Самым важным открытием, сделанным в Центре при столкно- вениях протонов и антипротонов, был электрослабый калибровоч- ный бозон, передающий электрослабое взаимодействие. За это открытие в 1984 г. Карло Руббиа и Симон ван дер Мер получили Нобелевскую премию. Слабое взаимодействие, как и другие виды взаимодействия, передается частицами. В данном случае это жүктеу/скачать 8,11 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|