Научный взгляд на устройство вселенной

304 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
дартной модели и распознавать обычные, хорошо известные ча-
стицы, на которые могут распадаться в тех или иных условиях не-
ведомые экзотические частицы. Экспериментаторы БАКа похожи 
на детективов, которые анализируют имеющиеся данные, чтобы 
соединить их в единую картину и понять, что здесь было прежде. 
Чтобы обнаружить что-то новое, необходимо сначала исключить 
из картины все известные элементы.
Познакомившись с конструкцией двух основных универсаль-
ных детекторов БАКа, мы теперь вновь наведаемся на коллайдер 
и постараемся разобраться в том, как физики распознают отдель-
ные частицы. Некоторое знакомство с современным состоянием 
физики элементарных частиц и методов обнаружения частиц 
Стандартной модели будут полезны и при обсуждении научного 
потенциала БАКа в части IV.
В ПОИСКАХ ЛЕПТОНОВ
Специалисты по физике элементарных частиц делят частицы 
Стандартной модели на две категории. Частицы первого типа из-
вестны как 
лептоны
.
В эту категорию попадают частицы, не участвующие в сильном 
взаимодействии. В первую очередь это электроны; в Стандартной 
модели присутствуют также две более тяжелые версии электрона, 
обладающие таким же зарядом, но гораздо большей массой, — 
мюон
и 
тау-лептон
. Оказывается, имеется три, обладающих оди-
наковым зарядом варианта каждой из встречающихся нам в по-
вседневной жизни частиц Стандартной модели; при этом каждое 
следующее 
поколение
тяжелее предыдущего. Мы не знаем, почему 
таких вариантов именно три. Говорят, что лауреат Нобелевской 
премии по физике 1944 г. Исидор Айзек Раби, услышав о существо-
вании мюона, воскликнул в изумлении: «Кто заказывал?»
Самые легкие лептоны обнаружить проще всего. Хотя и электро-
ны, и фотоны отдают энергию в электромагнитном калориметре, 
различить их легко: электрон имеет электрический заряд, а фотон — 
нет. Из этих частиц только электрон, прежде чем отдать энергию 
калориметру ECAL, оставляет трек во внутреннем детекторе.

КАК РАСПОЗНАТЬ 
ЧАСТИЦЫ 305
Распознать мюоны тоже относительно легко. Подобно всем 
остальным тяжелым частицам Стандартной модели, мюоны рас-
падаются так быстро, что в обычном веществе их обнаружить не-
возможно, и вне эксперимента мы на Земле их почти не видим. 
Однако мюоны живут все же достаточно долго, чтобы успеть 
добраться до внешних слоев детектора. Поэтому они оставляют 
за собой длинные, ясно различимые треки, и экпериментаторы 
могут проследить их путь сквозь все слои от внутреннего детекто-
ра до внешних мюонных камер. Мюоны — единственные частицы 
Стандартной модели, способные добраться до внешних детекторов 
и оставить в них видимый след, поэтому распознать и выделить 
их несложно.
Тау-частицы, хотя они и заметны, обнаружить уже не так про-
сто. Тау-частица представляет собой заряженный лептон, подоб-
ный электрону и мюону, но превосходит то и другое по массе. 
Как и большинство тяжелых частиц, она нестабильна; это значит, 
что тау-частица распадается, оставляя после себя группу других 
частиц. Любая тау-частица стремительно распадается на лег-
кий заряженный лептон и две частицы под названием нейтрино 
или на одно нейтрино и частицу под названием пион, участвую-
щую в сильном взаимодействии. Экспериментаторы изучают про-
дукты распада — частицы, на которые распалась первоначальная 
нестабильная частица, — чтобы определить, не было ли на их ме-
сте тяжелой нестабильной частицы, и если таковая была, то ка-
кими свойствами обладала. Сам тау-лептон не оставляет трека, 
но по информации о продуктах распада, которые регистрирует 
экспериментальная установка, можно распознать эту частицу и ее 
свойства.
Электрон, мюон и еще более тяжелый тау-лептон имеют одина-
ковые заряды, равные –1 и противоположные заряду положитель-
но заряженного протона. Кроме того, в коллайдерах рождаются 
античастицы, соответствующие этим заряженным лептонам, — 
позитрон, антимюон и анти-тау-лептон. Эти античастицы имеют 
заряд +1 и оставляют в детекторах треки, похожие на треки соот-
ветствующих частиц, но из-за противоположного заряда в магнит-
ном поле они отклоняются в противоположную сторону.

306 АППАРАТУРА, 
ИЗМЕРЕНИЯ 
И ВЕРОЯТНОСТИ
Кроме только что описанных трех типов заряженных леп-
тонов Стандартная модель содержит нейтрино — очень легкие 
лептоны, не несущие никакого электрического заряда. Если 
три заряженных лептона участвуют как в электромагнитном, 
так и в слабом взаимодействии, то нейтрино заряда не имеют 
и потому нечувствительны к электрическим силам. До 1990-х гг. 
экспериментальные результаты указывали, что нейтрино имеют 
нулевую массу. Одним из интереснейших открытий того десяти-
летия стало обнаружение у нейтрино чрезвычайно малой, но не-
исчезающей массы покоя; это показало, что Стандартная модель 
физики частиц неполна.
Хотя нейтрино — очень легкие частицы и, соответствен-
но, попадают в энергетический диапазон любого коллайдера, 
их невозможно непосредственно обнаружить на БАКе. Не имея 
электрического заряда, они очень неохотно вступают во взаимо-
действие с веществом — настолько неохотно, что человек, тело 
которого каждую секунду пронизывает более 50 трлн солнечных 
нейтрино, может узнать об этом, только если ему кто-нибудь рас-
скажет.
Несмотря на невидимость нейтрино, физик Вольфганг Пау-
ли предсказал их существование в качестве «отчаянной меры», 
пытаясь объяснить, куда девается энергия при распаде нейтро-
нов. Долгое время казалось, что в этом процессе нарушается за-
кон сохранения энергии, потому что протон и электрон, которые 
удавалось обнаружить на месте распада нейтрона, вместе не да-
вали полной энергии, которой прежде обладал нейтрон. Даже из-
вестные физики, такие как Нильс Бор, в то время готовы были 
поступиться принципами и признать, что энергия может теряться 
безвозвратно. Паули оказался верен известным физическим прин-
ципам и предположил, что энергия все же сохраняется, просто экс-
периментаторы не могут увидеть ту электрически нейтральную 
частицу, которая уносит с собой недостающую ее часть. Он ока-
зался прав.
Паули назвал свою гипотетическую на тот момент частицу 
нейтроном, но позже это название оказалось занято — его исполь-
зовали для обозначения составной части атомного ядра, нейтраль-

КАК РАСПОЗНАТЬ 
ЧАСТИЦЫ 307
ного партнера протона. Так что Энрико Ферми — итальянскому 
физику, разработавшему теорию слабых взаимодействий (хотя пу-
блика лучше знает его как одного из создателей первого ядерного 
реактора) — пришлось дать этой частице забавное имя нейтрино, 
что по-итальянски означает «нейтрончик». Конечно, нейтрино — 
никакой не нейтрон, но, подобно нейтрону, эта частица не несет 
на себе электрического заряда. С другой стороны, нейтрино дей-
ствительно много легче нейтрона.
Нейтрино, как и всех других частиц Стандартной модели, су-
ществует три типа. Каждому заряженному лептону — электрону, 
мюону и тау-частице — соответствует свое нейтрино, с которым 
названная частица взаимодействует посредством слабого взаимо-
действия*.
Мы уже говорили о том, как можно обнаружить электро-
ны, мюоны и тау-частицы, так что остается только разобрать-
ся, как экспериментаторы обнаруживают нейтрино. Поскольку 
нейтрино не имеют электрического заряда и неохотно вступают 
во взаимодействие, они вылетают из детектора прочь, не оставляя 
никакого следа. Как же ученым БАКа определить, что нейтрино 
там вообще были?
Импульс (при медленном движении он равен произведению 
массы на скорость, но при скоростях частиц, близких к скоро-
сти света, его удобнее описать как сгусток энергии, движущийся 
в определенном направлении) сохраняется в проекции на любое 
направление. Как и в случае с энергией, до сих пор ученым не уда-
лось обнаружить никаких свидетельств того, что импульс может 
безвозвратно теряться. Так что если суммарный импульс частиц, 
зарегистрированных детектором, меньше, чем вошедший туда им-
пульс, это означает, что какая-то другая частица (или частицы) 
сумела улизнуть, унося с собой недостающую часть. Именно такая 
логика позволила Паули сделать вывод о существовании нейтрино 
(в его случае — при ядерном бета-распаде); именно таким обра-
* Три типа нейтрино через слабое взаимодействие «спарены» с тремя разновид-
ностями заряженных лептонов. Однако, раз возникнув, нейтрино могут осциллиро-
вать, переходя из одного типа в другой, и связь их с конкретными лептонами теряется. 
Нейтрино иногда просто нумеруют согласно их относительной массе, а иногда поме-
чают знаком соответствующего лептона в зависимости от контекста. — 

жүктеу/скачать 8,11 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: