Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Оставшиеся типы кварков не входят в ядерную материю. Они гораздо тяжелее и- и d-кварков и, благодаря слабым взаимодействиям, распадаются на более легкие кварки. Странные частицы, то есть частицы, содержащие странные кварки, изучались с пятидесятых годов двадцатого века. Их время жизни составляет порядка Ю~10 секунд. В семидесятых годах того же века открыли очарованные частицы. Это частицы, содержащие очарованные кварки. Будучи гораздо тяжелее странных частиц, очарованные частицы и живут гораздо меньше. Хитроумные эксперименты, проведенные в CERN, главным образом, итальянской коллаборацией экспериментаторов, в 1979 году показали, что очарованные частицы живут около IO-13 секунд.
В 1977 году американская коллаборация в ходе эксперимента, проведенного в Лаборатории им. Ферми, открыла новую частицу, названную ипсилоном. Сейчас мы знаем, что она содержит пятый тип кварка, так называемый 6-кварк (bottom-кварк). Уже было открыто более дюжины частиц, содержащих один или два 6-кварка.
Из пяти известных типов кварков два (и и с) имеют электрический заряд Q = 2/3, а три других (d, sub) имеют электрический заряд Q = —1/3. Теоретические аргументы предполагают существование равного количества кварков с зарядом Q = 2/3 и Q = —1/3. Поэтому ожидается существование шестого кварка с Q = 2/3, и называют его і-кварком (top-кварком). В международном состязании европейские и американские экспериментаторы активно ищут свидетельства существования і-кварка, который может оказаться последним из кварков.
Лептоны — материальные частицы, не подверженные сильным взаимодействиям. Самым знакомым лептоном является электрон, который На пути к объединенной теории поля
277
был открыт в 1895 году. Он имеет электрический заряд Q = —1, численно равный заряду протона, но противоположный по знаку. Известны два тяжелых кузена электрона с зарядом Q = —1. Мюон весит примерно в 206 раз больше электрона и впервые наблюдался в 1938 году. Тау-лептон весит примерно в 17 раз больше мюона и был открыт в Стэн-форде (Калифорния) в 1976 году.
Каждый из этих заряженных лептонов связан со своим собственным незаряженным Q = O лептоном, называемым нейтрино. Нейтрино всегда считались безмассовыми частицами, но последние эксперименты и астрофизические наблюдения указывают на то, что они имеют массу. На самом деле, во Вселенной так много нейтрино, что все вместе они могут объяснить большую часть ее массы, даже несмотря на то, что отдельное нейтрино весит чрезвычайно мало.
Зачем же нужны три семейства частиц, если вполне респектабельный вариант Вселенной (как кажется) мог бы быть создан с помощью всего лишь одного из них? Существует ли еще и четвертое семейство, которое ждет своего открытия при более высоких энергиях? Это вопросы, на которые мы не можем ответить. Почему кварки и лептоны объединяются в семейства? Ответ на этот вопрос может быть получен в рамках теории великого объединения. Два различных типа материальных частиц переплетаются друг с другом очень запутанным образом, так что периодическая таблица кварков и лептонов нам практически навязана силой.
В рамках теории великого объединения можно будет получить ответы на многие другие сложнейшие вопросы физики частиц:
1. Сильные, слабые и электродинамические взаимодействия кажутся воплощениями одной и той же фундаментальной математической системы. Так ли это?
2. Почему фотон не имеет массы? Именно так должно быть согласно теории великого объединения.
3. Почему сильные взаимодействия настолько сильнее электромагнитных?
4. Почему нейтрино электрически нейтральны и почти не имеют массы?
5. Почему электрический заряд протона численно равен заряду электрона?
6. Почему материя стабильна? Ответ: она нестабильна.
7. Как зародилась материя в нашей Вселенной?
Несколько лет назад мы бы даже не осмелились задать столь сложные вопросы. Ясно, что физики преодолели длинный путь за короткое время. Когда-то Эддингтон предсказал, что настанет время, когда физика (подобно химии) станет законченной, а потому неинтересной. Это время еще не настало, но, быть может, оно совсем близко. Запутавшийся в суперструнах (с Беном Бова)
От величайших чудес в небесах до самых крошечных загадок элементарных частиц наука, в своих разнообразных дисциплинах, стремится объяснить все природные явления. Космологи работают с самыми большими вопросами: рождением Вселенной, а также происхождением и развитием миллиардов галактик. Астрономы спускаются по космической лестнице к столь малым объектам, как наша Солнечная система. Геологи занимаются всеми закоулками и щелочками нашей планеты, а биологи изучают те земные создания, которые ползают, бегают, плавают, летают и заражают друг друга: от крошечных вирусов до громадных китов, на которых они нападают. Затем идут химики и большинство физиков, работа которых — объяснять объемные свойства материи через крошечные атомы, образующие все, что есть на Земле. Они расскажут вам, почему медь красная, а небо голубое, как горит свеча и из чего образуется роса.
Еще более маленький мир, находящийся внутри атома, привлекает внимание двух различных групп физиков, которые работают во все более маленьких областях. Во-первых, это физики-ядерщики, изучающие центральное ядро атома — ключ к ядерному оружию и ядерной энергии, а также к чудесной ядерной печи, которую мы называем Солнцем. Кроме них существуют еще и физики, занимающиеся элементарными частицами. Они изучают составляющие атомного ядра: нейтроны и протоны, а также все прочие частицы, которые когда-то считались элементарными, но сейчас мы знаем, что они состоят из кварков, — а также силы, управляющие взаимодействиями различных частиц: электромагнитными, сильными и слабыми ядерными взаимодействиями. С помощью самых мощных из используемых сегодня ускорителей, в которых частицы сталкиваются с силой в два триллиона электрон-вольт, можно генерировать частицы типа W и Z, которые в сто миллионов раз меньше атома.
