Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| Прим. авт.
316 АППАРАТУРА, ИЗМЕРЕНИЯ И ВЕРОЯТНОСТИ посредственно не обнаруживается). По закону сохранения энергии и импульса суммарная энергия и импульс конечных кварков рав- ны энергии и импульсу распавшейся частицы, то есть W-бозона. В этот момент, однако, вмешиваются специальная теория от- носительности Эйнштейна и квантовая механика, и ситуация ста- новится более интересной. Специальная теория относительности говорит нам о том, как соотносятся масса, энергия и импульс. Боль- шинству людей знаком сокращенный вариант формулы E = mc 2 . Эта формула верна для частиц в состоянии покоя; здесь m интер- претируется как m 0 — неисчезающая масса покоя частицы, из- начально ей присущая. Если частица движется, у нее имеется им- пульс, и на сцене появляется более полная формула: E 2 – p 2 c 2 = m 0 2 c 4 . По этой формуле* экспериментаторы могут вычислить массу части- цы даже в том случае, если сама она давно распалась. Для этого доста- точно измерить суммарный импульс и энергию продуктов распада и, применив это уравнение, вычислить массу первоначальной частицы. Причина, по которой в этой истории фигурирует квантовая механика, несколько тоньше. Если наблюдать со стороны, то масса частицы не всегда равняется в точности ее реальной и истинной массе. Частицы способны распадаться, а квантово-механическое уравнение неопределенности говорит нам, что для точного из- мерения энергии необходимо бесконечное время; это значит, что энергию частицы, имеющей ограниченный срок жизни, во- обще невозможно знать точно. Величина возможной ошибки тем больше, чем быстрее распадается частица и чем меньше время ее жизни. Следовательно, в любом конкретном измерении мож- но получить значение массы, близкое, но не равное ее истинному среднему значению. Только проведя множество измерений, экс- периментаторы могут выяснить одновременно массу — наиболее вероятную ее величину, к которой сходится среднее значение — и время жизни, поскольку именно продолжительность существо- вания частицы до распада определяет разброс измеренных масс (рис. 45). Это верно не только для W-бозона, но и для любой дру- гой распадающейся частицы. * Через нее можно также определить релятивистскую массу, которая зависит от импульса и энергии, но следствия будут теми же. — Прим. авт. КАК РАСПОЗНАТЬ ЧАСТИЦЫ 317 Энергия (ГэВ) Число событий 70 75 80 85 90 РИС . 45. Измерения массы нестабильной частицы концентрируются вокруг ее истинной массы, но допускают некоторый разброс в зави- симости от времени жизни. На рисунке показана соответствующая зависимость для калибровочного W-бозона Разобравшись в полученных измерительных данных при по- мощи описанных в этой главе методов, экспериментаторы мо- гут обнаружить какую-нибудь частицу Стандартной модели (см. на рис. 46 сводку частиц Стандартной модели и их свойств)*, а мо- жет, и что-нибудь совершенно новое. Ученые надеются получить на БАКе новые экзотические частицы, которые помогут глубже проникнуть в фундаментальную природу вещества или даже Все- ленной в целом. В следующей части книги мы рассмотрим неко- торые интересные возможности. * Обратите внимание, что на этой схеме разграничены бозоны и фермионы — два класса частиц, различаемые квантовой механикой. Переносчики взаимодействий и гипотетические частицы Хиггса — бозоны, а все остальные частицы Стандартной модели — фермионы. — Прим. авт. РИС . 46. Частицы Стандартной модели, организованные по типу и массе. В серых кружочках (иногда внутри квадратиков) приведены массы частиц. Число внутри стрелочек, образующих дуги, обозна- чает величину спина данной частицы. Мы видим здесь загадочное разнообразие элементов Стандартной модели 2 1 2 1 0 1 2 верхние нижние нейтральные заряженные u-кварк c-кварк кварки ФЕРМИОНЫ БОЗОНЫ лептоны калибровочные бозоны d-кварк электрон бозон Хиггса глюоны слабые бозоны фотон гравитон мюон тау-частица s-кварк 0 g 0 G 0 1.27 c ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ Обозначение Размер кружочка отражает относительную массу Масса в ГэВ Сильное взаимодействие Слабое взаимодействие Электромагнитное взаимодействие Гравитационное взаимодействие 1-е поколение 2-е поколение 3-е поколение b-кварк t-кварк электронное нейтрино мюонное нейтрино тау-нейтрино МэВ кэВ эВ мэВ ГэВ ТэВ 10 -3 10 -6 10 -9 10 -12 1 10 3 .0024 u ~ >115 H .0048 d .104 s 4.2 b 1.27 c 171.2 t МАССА (в ГэВ, логарифмическая шкала) 5.1 x 10 -4 e .1057 1.777 ~8 x 10 -12 2 ~10 -12 1 3 ~5 x 10 -11 91.2 Z 80.4 W + 80.4 W – Часть IV МОДЕЛИ, ПРЕДСКАЗАНИЯ И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ |