Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

ТОЧНОСТЬ В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

ТОЧНОСТЬ В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

В физике элементарных частиц мы пытаемся найти базовые правила, управляющие самыми мелкими и фундаментальными компонентами вещества, которые мы в состоянии обнаружить. Отдельный эксперимент здесь — это не измерения во множестве происходящих одновременно столкновений или периодически повторяющихся взаимодействий. Наши прогнозы относятся к единичным столкновениям известных частиц при определенной энергии. Частицы приходят в точку столкновения, взаимодействуют, а затем пролетают через детекторы, по пути, как правило, отдавая энергию. Физики, говоря о столкновении частиц, используют конкретные характеристики этих частиц — массу, энергию и заряд.

В этом отношении, несмотря на техническую сложность наших экспериментов, физике элементарных частиц повезло. Системы, которые мы изучаем, должны быть как можно более простыми, чтобы можно было выделить в них фундаментальные компоненты и законы. Идея в том, чтобы сделать экспериментальные системы настолько чистыми, насколько позволяют имеющиеся ресурсы. Проблема для физиков заключается скорее в том, чтобы достичь требуемых физических параметров, а не в том, чтобы распутать и упростить сложные системы. Эксперименты сложны, потому что науке приходится все дальше отодвигать границы непознанного. Поэтому они часто проводятся на пределе энергий и расстояний, достижимых при данном уровне развития технологий.

По правде говоря, эксперименты в физике элементарных частиц вовсе не так просты, как кажется, даже если речь идет об изучении точных фундаментальных величин. Представляя полученные результаты, ученые непременно сталкиваются с одной из двух проблем. Если они увидели что?то необычное, то должны доказать, что это не может быть результатом какого?то тривиального события в рамках Стандартной модели. Если они не увидели ничего нового, то, прежде чем заявлять, что этого нового не существует в рамках тех ограничений, которые установлены для исследователей в данный момент, они должны быть полностью уверены в том, что эксперименты проводились при адекватном уровне точности. Физики должны разбираться в чувствительности измерительной аппаратуры достаточно хорошо, чтобы понимать, что можно исключить, а что необходимо учитывать.

Чтобы быть уверенными в результате, экспериментаторы должны четко отличать те явления, что могут свидетельствовать о новой физике, от фоновых событий, возникающих в результате взаимодействия известных физических частиц Стандартной модели. Именно поэтому, чтобы сделать открытие, нам нужно увидеть множество столкновений. Из множества столкновений можно выбрать достаточно событий, представляющих новую физику, чтобы надежно отличить их от «скучных» процессов Стандартной модели, на которые они могут оказаться похожи.

Таким образом, любой наш эксперимент требует набора достаточной статистики. Самим измерениям тоже присущи неопределенности, которые делают многократное повторение необходимым. Квантовая механика говорит нам, что базовые события также обладают внутренней неопределенностью. Согласно законам квантовой механики, как бы хитроумно мы ни планировали эксперименты, в результате мы сможем получить лишь вероятность взаимодействия. Как бы мы ни проводили измерения, эта неопределенность никуда не денется. Это означает, что единственный способ точно измерить силу взаимодействия — повторить измерение много раз. Иногда эта неопределенность меньше, чем погрешность измерения, и вообще слишком мала, чтобы иметь значение. Но иногда ее необходимо принимать во внимание.

Квантово–механическая неопределенность говорит нам, к примеру, что масса распадающейся частицы неоднозначна по определению. Исходя из принципа неопределенности ни одно измерение энергии не может быть точным, если оно сделано за конечное время. Понятно, что время измерения должно быть короче, чем время жизни распадающейся частицы, и это определяет ожидаемые пределы вариации измеряемых масс. Так что если экспериментаторы обнаружили бы свидетельства существования новой частицы — те частицы, на которые она распалась, — то измерение ее массы потребовалось бы провести много раз. Ни одно из этих измерений не было бы точным, но среднее по всем измерениям значение сходилось бы к верной величине.

Во многих случаях квантово–механическая неопределенность массы меньше, чем систематическая погрешность (неизбежная ошибка) измерительной аппаратуры. Если это так, экспериментаторы могут просто не обращать внимания на квантово–механическую неопределенность массы. Но и в этом случае необходимо провести большое количество измерений, чтобы обеспечить их сходимость; причина — в вероятностном характере рассматриваемых взаимодействий. Как и в случае с испытаниями лекарственных средств, для получения верного ответа необходим большой объем статистических данных.

Важно понять, что вероятности, связанные с квантовой механикой, не совсем случайны. Вообще, эти вероятности вычисляются по вполне определенным законам. Мы убедимся в этом в главе 14, когда речь пойдет о массе W–бозона. Нам известна общая форма кривой, описывающей вероятность того, что в результате столкновения родится именно эта частица с заданной массой и заданным временем жизни. Результаты измерения энергии группируются вокруг верной величины, а их распределение согласуется с временем жизни частицы и принципом неопределенности. Хотя ни по одному из измерений в отдельности нельзя определить массу, по совокупности множества измерений это сделать можно. Существует вполне определенная процедура, позволяющая вывести массу частицы из среднего результата многократно повторенных измерений. Если измерений достаточно, экспериментаторы могут определить верную массу с определенным уровнем прецизионности (сходимости) и точности (правильности).