Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
'Здесь и далее термин «существенные частицы» употребляется в смысле необходимости данных частиц для определенных процессов, например, для образования материи. Термин «несущественные частицы» не означает, что эти частицы вообще не нужны или излишни, просто в описываемом процессе они не играют никакой роли. — Прим. пер. 140
Что такое элементарная частица? 140
Когда в семидесятых годах были открыты очарованные частицы, казалось, что таблица закончена. В ней присутствовали два симметричных семейства элементарных фермионов: существенные и несущественные. По крайней мере, так думали мы.
Мартин Перл, работающий на Стэнфордском электрон-позитронном коллайдере, известном как SPEAR, обнаружил первое свидетельство существования третьего семейства элементарных частиц. Он открыл тау-лептон, более тяжелый вариант мюона. За прошедшие с тех пор годы косвенное свидетельство заставляет нас считать, что тау-частица имеет свое собственное сопутствующее нейтрино. Более того, Ледерман и его коллеги в Лаборатории им. Ферми доказали существование пятого кварка, для разнообразия названного 6-кварком (нижним, прелестным или двухсотлетним кварком1) в честь года его открытия и народа, который его открыл. Он похож на d- или s-кварки, но гораздо более тяжелый. И опять таблица почти завершена. Она содержит шесть известных лептонов, но всего пять известных кварков. Должен существовать более тяжелый родственник очарованного кварка, но он пока не показался, несмотря на беспрестанные усилия экспериментаторов во всем мире. Его называют t-кварком, что значит верхний или истинный и, к счастью, не трехсотлетний2.
Ну и хватит о материальных частицах. Теперь мы подошли к взаимодействиям, которым они подвержены и посредством которых они образуют наблюдаемые проявления природы. Физикам известны всего четыре основных взаимодействия. Возможно, самым знакомым из них является гравитация. Она удерживает планеты на их орбитах вокруг Солнца, и ей почти удается удерживать человечество в ловушке на поверхности нашей планеты. Почти, но не абсолютно, поскольку нам, как-никак, удалось прогуляться по Луне и невредимыми вернуться на Землю. В современном изучении микромира гравитация практически несущественна. Будучи самым слабым из всех взаимодействий, она не оказывает заметного влияния на элементарные частицы.
Одно и только одно взаимодействие несет ответственность почти за все, что мы можем видеть, ощущать, обонять, пробовать и осязать. Оно называется электромагнетизмом. Именно электромагнитное взаимодействие в чистом виде удерживает электроны вблизи их ядер. Все химические и механические силы проистекают из электромагнетизма. Это все, что нам нужно знать, пока мы не захотим «прощупать» структуру самого ядра. Квантовая теория электромагнетизма — чрезвычайно успешная дисциплина. Она позволяет нам вычислить наблюдаемые
1B английском языке все эти три слова начинаются с буквы «Ь»: bottom, beauty, bicentenary. — Прим. пер.
2Ta же игра слов: top, truth, tercentenary. — Прим. пер. 141 что такое элементарная частица?
явления с точностью до многих десятичных разрядов. Это парадигма теории всех природных явлений. Квантовая электродинамика работает с электронами и фотонами, или частицами света. Фотон является переносчиком электромагнитного взаимодействия.
Изучение частиц и ядер открыло существование двух других взаимодействий, которые называются очень просто: сильное и слабое.
Теория сильного взаимодействия была разработана в семидесятых годах и известна под названием квантовой хромодинамики. Именно сильное взаимодействие удерживает кварки вместе, в результате чего образуются нейтроны и протоны. Сильное взаимодействие переносится частицей, называемой глюоном, которую могут испускать или поглощать только кварки. Подобно кваркам, глюоны не могут существовать по отдельности. Их область существования ограничена внутренней областью элементарных частиц. Свидетельство реальности глюонов было получено в Германии в 1981 году, где потоки глюонов впервые наблюдались на большом немецком электрон-позитронном коллайдере PETRA.
Современная теория слабых взаимодействий появилась в шестидесятых годах. Согласованная теория таких взаимодействий требовала, чтобы слабое взаимодействие объединилось с электромагнитными взаимодействиями. Эта, когда-то очень гипотетическая, «теория электрослабых взаимодействий» сделала три эффектных предсказания. Она утверждала, что в природе должна существовать новая разновидность явлений, называемых «нейтральными токами». Действительно, существование этих предсказанных явлений было доказано экспериментально. Впервые они наблюдались в CERN в 1973 году, а вскоре после этого их наблюдала группа Руббиа, тогда работавшая в Лаборатории им. Ферми.
Кроме того, теория электрослабых взаимодействий требовала существования новых частиц — переносчиков слабых взаимодействий, частиц, известных как W и Z. Эти частицы настолько тяжелы, что их существование не могло было быть установлено ни на одном из существующих ускорителей. Именно поэтому мой коллега Карло Руббиа предложил сконструировать новое устройство, чтобы открыть эти загадочные частицы. По каким-то причинам США не смогли, или не захотели, вовремя создать это устройство. Но наши европейские коллеги немедленно начали строительство машины, о которой мечтал Карло, — протон-антипротонного коллайдера в CERN. Вскоре после того как эта машина была построена, Карло удалось установить существование обеих частиц: W и Z. За это великой открытие в 1984 Руббиа получил часть Нобелевской премии по физике. Другую ее часть присудили голландскому инженеру Симону Ван-дер-Меру, благодаря гению которого стал возможным успешный ввод в действие коллайдера в CERN. 142
