Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

ГЛАВА 14. КАК РАСПОЗНАТЬ ЧАСТИЦЫ

Стандартная модель физики элементарных частиц представляет в компактном виде наш нынешний взгляд на элементарные частицы и их взаимодействия (рис. 40)[43] Она включает в себя такие частицы, как верхние и нижние кварки и электроны, составляющие самую основу привычного вещества; помимо этого она содержит также немало других, более тяжелых частиц, которые участвуют в тех же взаимодействиях, но, как правило, не встречаются в природе (эти частицы мы можем тщательно изучить только в высокоэнергетических экспериментах на коллайдере). Большая часть составляющих Стандартной модели, в том числе и частицы, которые в настоящее время изучаются на БАКе, были достаточно надежно укрыты от человеческого взора, пока во второй половине XX в. хитроумные эксперименты и теоретические построения не извлекли их «на свет божий».

Экспериментальные установки ATLAS и CMS в Большом адронном коллайдере предназначены для обнаружения и распознавания частиц Стандартной модели. Настоящая цель, разумеется,

РИС. 40. Элементы Стандартной модели физики элементарных частиц с указанными массами. Показаны также отдельно частицы с правым и левым спином. Слабое взаимодействие, способное изменить тип частицы, действует только на левые частицы

состоит в том, чтобы выйти за пределы уже известного — отыскать новые элементы или взаимодействия, которые помогли бы разобраться в многочисленных загадках. Но для этого физики должны научиться без труда выделять фоновые события Стандартной модели и распознавать обычные, хорошо известные частицы, на которые могут распадаться в тех или иных условиях неведомые 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 универсальных детекторов БАКа, мы теперь вновь наведаемся на коллайдер и постараемся разобраться в том, как физики распознают отдельные 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 ПОИСКАХЛЕПТОНОВ

Специалисты по физике элементарных частиц делят частицы Стандартной модели на две категории. Частицы первого типа известны 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 одинаковым зарядом варианта каждой из встречающихся нам в повседневной 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 существовании мюона, воскликнул в изумлении: «Кто заказывал?»

Самые легкие лептоны обнаружить проще всего. Хотя и электроны, 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.

Распознать мюоны тоже относительно легко. Подобно всем остальным тяжелым частицам Стандартной модели, мюоны распадаются так быстро, что в обычном веществе их обнаружить невозможно, 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 детектора 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 просто. Тау–частица представляет собой заряженный лептон, подобный 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 легкий заряженный лептон и две частицы под названием нейтрино или на одно нейтрино и частицу под названием пион, участвующую в сильном взаимодействии. Экспериментаторы изучают продукты распада — частицы, на которые распалась первоначальная нестабильная частица, — чтобы определить, не было ли на их месте тяжелой нестабильной частицы, и если таковая была, то какими 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 одинаковые заряды, равные -1 и противоположные заряду положительно заряженного протона. Кроме того, в коллайдерах рождаются античастицы, соответствующие этим заряженным лептонам, — позитрон, антимюон и антитау–лептон. Эти античастицы имеют заряд +1 и оставляют в детекторах треки, похожие на треки соответствующих частиц, но из?за противоположного заряда в магнитном поле они отклоняются в противоположную сторону.

Кроме только что описанных трех типов заряженных лептонов 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 десятилетия стало обнаружение у нейтрино чрезвычайно малой, но неисчезающей массы покоя; это показало, что Стандартная модель физики частиц неполна.

Хотя нейтрино — очень легкие частицы и, соответственно, попадают в энергетический диапазон любого коллайдера, их невозможно непосредственно обнаружить на БАКе. Не имея электрического заряда, они очень неохотно вступают во взаимодействие 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 расскажет.

Несмотря на невидимость нейтрино, физик Вольфганг Паули предсказал их существование в качестве «отчаянной меры», пытаясь объяснить, куда девается энергия при распаде нейтронов. Долгое время казалось, что в этом процессе нарушается закон сохранения энергии, потому что протон и электрон, которые удавалось обнаружить на месте распада нейтрона, вместе не давали полной энергии, которой прежде обладал нейтрон. Даже известные физики, такие как Нильс Бор, в то время готовы были поступиться принципами и признать, что энергия может теряться безвозвратно. Паули оказался верен известным физическим принципам и предположил, что энергия все же сохраняется, просто экспериментаторы не могут увидеть ту электрически нейтральную частицу, которая уносит с собой недостающую ее часть. Он оказался прав.

Паули назвал свою гипотетическую на тот момент частицу нейтроном, но позже это название оказалось занято — его использовали для обозначения составной части атомного ядра, нейтрального партнера протона. Так что Энрико Ферми — итальянскому физику, разработавшему теорию слабых взаимодействий (хотя публика 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 действительно много легче нейтрона.

Нейтрино, как и всех других частиц Стандартной модели, существует три типа. Каждому заряженному лептону — электрону, мюону и тау–частице — соответствует свое нейтрино, с которым названная частица взаимодействует посредством слабого взаимодействия[44].

Мы уже говорили о том, как можно обнаружить электроны, мюоны и тау–частицы, так что остается только разобраться, 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 скорости 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 удалось обнаружить никаких свидетельств того, что импульс может безвозвратно теряться. Так что если суммарный импульс частиц, зарегистрированных детектором, меньше, чем вошедший туда импульс, 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 образом мы и по сей день узнаем о присутствии этих слабо взаимодействующих и почти невидимых частиц[45].

В адронных коллайдерах экспериментаторы измеряют все импульсы в поперечных к пучку направлениях, суммируют и смотрят, весь ли импульс на месте. Они рассматривают только поперечные направления, потому что в продольных направлениях полный импульс зарегистрировать намного труднее — ведь немалая его часть уносится частицами, продолжающими движение по трубке пучка. Импульс, перпендикулярный направлению движения первоначального протонного пучка, измерить и учесть проще.

Суммарный поперечный импульс сталкивающихся в коллайдере частиц практически равен нулю; нулю, соответственно, должен равняться и суммарный поперечный импульс возникших в результате столкновения частиц. Поэтому, если измерения идут вразрез с ожиданиями, экспериментаторы могут смело заключить, что чего?то не хватает. Остается только разобраться, какая это была из множества потенциально возможных невзаимодействующих частиц. Для обычных процессов Стандартной модели ответ известен заранее: незарегистрированными останутся нейтрино. Исходя из известных характеристик слабого взаимодействия (мы поговорим о нем чуть позже), в котором участвуют нейтрино, физики проводят расчет и прогнозируют частоту их появления. Кроме того, физики уже знают, как должен выглядеть распад W–бозона, — к примеру, одиночный электрон или мюон с поперечным импульсом, соответствующим по энергии примерно половине массы W–бозона, представляет собой чрезвычайно редкое явление и свидетельствует именно об этом. Поэтому, исходя из закона сохранения импульса и теоретически рассчитанной входной величины, нейтрино можно «вычислить». Естественно, у этих частиц меньше идентифицирующих «ярлычков», чем у тех, что мы наблюдаем непосредственно. Об их присутствии можно судить лишь по комбинации теоретических соображений и измеренной величине недостающей энергии.

Очень важно помнить об этом, рассматривая новые открытия. Примерно такие же рассуждения позволяют судить о присутствии и других новых частиц, не несущих заряда или несущих заряд настолько слабый, что их невозможно обнаружить непосредственно. Только недостаток суммарной энергии вкупе с теоретическим расчетом входных параметров позволяет судить, что происходило на самом деле и какие «действующие лица» сумели ускользнуть незамеченными. Вот почему так важна герметичность детектора для регистрации как можно большей доли поперечного импульса.

В ПОИСКАХ АДРОНОВ

Мы рассмотрели лептоны (электроны, мюоны, тау–частицы и ассоциированные с ними нейтрино). Оставшаяся категория частиц Стандартной модели носит название адроны — это частицы, участвующие в сильном взаимодействии. В эту категорию входят все частицы, состоящие из кварков и глюонов, такие как протоны, нейтроны и частицы под названием пионы. Адроны имеют внутреннюю структуру — это связанные состояния кварков и глюонов, удерживаемых вместе посредством сильного взаимодействия.

Однако в Стандартной модели вы не найдете всех возможных связанных состояний. В нее вошли наиболее фундаментальные частицы, которые, объединяясь, собственно и образуют адронные состояния: а именно кварки и глюоны. Помимо верхних и нижних кварков, обитающих внутри протонов и нейтронов, существуют более тяжелые кварки под названиями очарованный и странный, истинный и красивый. Как и у лептонов, более тяжелые кварки соответствуют по заряду своим легким партнерам — верхнему и нижнему кварку. Тяжелые кварки, как и тяжелые лептоны, непросто обнаружить в природе. Для их изучения тоже нужны коллайдеры.

Адроны (участвующие в сильном взаимодействии) при столкновениях частиц ведут себя совсем не так, как лептоны (которые в нем не участвуют). Дело в первую очередь в том, что кварки и глюоны взаимодействуют настолько сильно, что никогда не появляются в одиночестве. Они всегда в струе, которая, может, и содержит нужную частицу, но в которой обязательно присутствует и куча других частиц, тоже участвующих в сильном взаимодействии. Струи, вообще говоря, содержат не отдельные частицы, а россыпь частиц, связанных сильным взаимодействием и как бы «защищающих» исходную частицу (рис. 41). Даже если при первоначальном событии ничего подобного не было, сильное взаимодействие породит из одного–единственного исходного кварка или глюона струю из множества новых кварков и глюонов.

Протонные коллайдеры порождают множество струй, поскольку сами протоны состоят из частиц, связанных сильным взаимодействием. Такие частицы порождают россыпь из множества дополнительных частиц, связанных сильным взаимодействием и путешествующих рядом с ними. Иногда они также создают кварки и глюоны, которые разлетаются в разных направлениях и порождают собственные независимые струи.

В книге «Закрученные пассажи» я привела цитату из «Песни ракет»[46] из мюзикла «Вестсайдская история». Мне кажется, она хорошо описывает и адронные струи:

Кварки, как и большинство членов уличных банд, по одному не ходят, они всегда находятся в дружественной, прочно связанной среде — среди своих.

Струи, как правило, оставляют видимые следы, поскольку некоторые частицы в них заряжены. Достигнув калориметра, струя отдает свою энергию. При помощи тщательных экспериментальных исследований, а также аналитических и компьютерных расчетов экспериментаторы выясняют свойства адронов, положивших начало каждой конкретной струе. И все же из?за сильного взаимодействия и струй кварки и глюоны исследовать намного сложнее. В конце концов, вы не можете измерить кварк или глюон непосредственно, вы меряете лишь струю, частью которой он является. Именно поэтому большинство кварковых и глюонных струй не различимы между собой. Все они выделяют много энергии и оставляют множество треков (на рис. 42 можно увидеть схематическое изображение того, как детекторы распознают ключевые частицы Стандартной модели).

РИС. 41. Струи представляют собой летящие группы частиц, связанных сильным взаимодействием, возникающим вокруг кварков и глюонов. На рисунках показана их регистрация в трекерах и адронном калориметре. (Печатается с разрешения CERN’a.)

Даже после измерения свойств адронной струи очень трудно, если не невозможно, сказать, который из различных кварков или глюонов ее инициировал. Красивый кварк (Ь–кварк) — самый тяжелый кварк с тем же зарядом, что у нижнего кварка (и тем же, что у среднего по массе странного) — исключение из правила. Причина в том, что красивый кварк живет достаточно долго и успевает пролететь некоторое расстояние до распада. При этом расстояние невелико: распад происходит внутри трекера. Действительно: если частицы распадаются практически мгновенно после рождения, поэтому создается впечатление, что продукты их распада начинают свои треки непосредственно в точке взаимодействия, где столкнулись протоны. Красивые кварки, в отличие от других, живут достаточно долго (примерно полторы пикосекунды; этого хватает, чтобы пройти со скоростью света, с которой они летают, примерно полмиллиметра), чтобы начать трек на вполне различимом расстоянии от точки взаимодействия. Внутренние кремниевые детекторы регистрируют этот смещенный узел траектории, как показано на рис. 43.

РИС. 42. Обобщенная картина того, как частицы Стандартной модели распознаются в детекторах. Нейтральные частицы не оставляют следа в трекерах. Как заряженные, так и нейтральные адроны могут оставлять некоторое количество энергии в ECAL, но большую часть энергии выделяют в HCAL. Мюоны пролетают насквозь до внешнего детектора

Когда экспериментаторы восстанавливают трек от распада красивого кварка, то в обратном направлении он не приходит в точку взаимодействия—центр события. Вместо этого создается впечатление, что трек начинается в той точке внутреннего трекера, где распался красивый кварк; в этой точке наблюдается перегиб — переход от траектории прилетевшего туда красивого кварка и улетевших дальше продуктов распада[47]. Благодаря тончайшей сегментации кремниевых детекторов экспериментаторы имеют возможность рассматривать область, прилегающую к пучку, очень подробно и в значительном числе случаев успешно распознавать красивые кварки.

РИС. 43. Адроны, «сделанные» из красивых кварков, живут достаточно долго, чтобы оставить видимый трек в детекторе, прежде чем рассыпаться на другие заряженные частицы. При этом в кремниевом детекторе может образоваться перегиб трека, по которому, собственно, и распознают красивые кварки. На рисунке показан распад истинных кварков

Еще один тип кварка, выделяющийся среди прочих в экспериментальном плане, — истинный кварк (t–кварк); своей особостью он обязан большой массе. Истинный кварк—самый тяжелый из тех трех кварков, заряд которых равен заряду верхнего кварка (третий кварк этой группы называется очарованным). Истинный кварк примерно в 40 раз тяжелее красивого — самого тяжелого кварка с зарядом другого знака — и более чем в 30000 раз тяжелее верхнего кварка, обладающего таким же зарядом.

Истинные кварки достаточно тяжелы, чтобы продукты их распада оставляли различимые треки. При распаде более легких кварков продукты распада, как и первоначальная частица, движутся со скоростями, очень близкими к скорости света, и потому сливаются как будто в единую струю, даже если начало ей положили две или более отдельные частицы. С другой стороны, истинные кварки, если только они не чрезмерно энергичны, наблюдаемо распадаются на красивые кварки и W–бозоны (заряженные слабые калибровочные бозоны); наличие того и другого наглядно свидетельствует о присутствии истинного кварка. Считается, что благодаря своей массе истинный кварк наиболее тесно взаимодействует с частицей Хиггса и другими частицами, вовлеченными в физику слабых взаимодействий, в которой мы надеемся в скором времени разобраться. Свойства истинных кварков и их взаимодействий могут оказаться полезны для понимания фундаментальных физических теорий, на которых основана Стандартная модель.

В ПОИСКАХ ПЕРЕНОСЧИКОВ СЛАБОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Прежде чем закончить разговор о том, как распознаются частицы Стандартной модели, рассмотрим последнюю их группу — слабые калибровочные бозоны: два W и один ?, переносящие слабое ядерное взаимодействие. Слабые калибровочные бозоны отличаются той особенностью, что, в отличие от фотонов и глюонов, имеют ненулевую массу покоя. Надо сказать, что наличие массы у слабых калибровочных бозонов — частиц, передающих слабое взаимодействие — представляет собой достаточно серьезную фундаментальную загадку. Происхождением своим эти массы — как и массы других элементарных частиц, о которых говорилось в этой главе — обязаны механизму Хиггса, к которому мы перейдем в самом ближайшем будущем.

Из?за своей тяжести W- и ?–бозоны долго не живут; они распадаются. Это значит, что слабые калибровочные бозоны, подобно истинным кваркам и другим тяжелым нестабильным частицам, можно распознать только через наблюдение за частицами, рождающимися в процессе распада. А поскольку любые новые тяжелые частицы тоже, вероятно, окажутся нестабильными, мы попробуем на примере распада слабых калибровочных бозонов показать еще одно интересное свойство распадающихся частиц.

W–бозон взаимодействует с любыми частицами, чувствительными к слабому взаимодействию (то есть со всеми частицами, о которых до сих пор шла речь). Это дает W–бозону множество вариантов распада. Он может распасться на любой заряженный лептон (электрон, мюон или тау–частицу) и соответствующее ему нейтрино. Его распад может также породить пару кварков — верхний и нижний или очарованный и странный, как показано на рис. 44.

РИС. 44. W–бозон может распасться на любой заряженный лептон и соответствующее ему нейтрино, или на верхний и нижний кварки, или на очарованный и странный кварки. На самом деле в кварковом секторе имеется смешивание, так что W–бозон может иногда распадаться в кварки разных поколений

Возможные варианты распада, помимо всего прочего, зависят от массы исходной частицы. Дело в том, что продукты распада частицы в сумме должны давать массу, меньшую, чем масса исходной частицы. Так, хотя W–бозон вполне способен взаимодействовать с истинным и красивым кварками, распасться на них он не может, так как масса истинного кварка больше массы W–бозона[48].

Рассмотрим распад W–бозона на два кварка, поскольку в этом случае экспериментаторы могут измерить оба продукта распада (в случае лептона и нейтрино это не так, потому что нейтрино не посредственно не обнаруживается). По закону сохранения энергии и импульса суммарная энергия и импульс конечных кварков равны энергии и импульсу распавшейся частицы, то есть W–бозона.

В этот момент, однако, вмешиваются специальная теория относительности Эйнштейна и квантовая механика, и ситуация становится более интересной. Специальная теория относительности говорит нам о том, как соотносятся масса, энергия и импульс. Большинству людей знаком сокращенный вариант формулы Е = mc². Эта формула верна для частиц в состоянии покоя; здесь т интерпретируется как т₀ — неисчезающая масса покоя частицы, изначально ей присущая. Если частица движется, у нее имеется импульс, и на сцене появляется более полная формула: Е²–р²с²= т₀²с². По этой формуле[49] экспериментаторы могут вычислить массу частицы даже в том случае, если сама она давно распалась. Для этого достаточно 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 измерения энергии необходимо бесконечное время; это значит, что энергию частицы, имеющей ограниченный срок жизни, вообще невозможно знать точно. Величина возможной ошибки тем больше, чем быстрее распадается частица и чем меньше время ее жизни. Следовательно, в любом конкретном измерении можно получить значение массы, близкое, но не равное ее истинному среднему значению. Только проведя множество измерений, экспериментаторы могут выяснить одновременно массу—наиболее вероятную ее величину, к которой сходится среднее значение — и время жизни, поскольку именно продолжительность существования частицы до распада определяет разброс измеренных масс (рис. 45). Это верно не только для W–бозона, но и для любой другой распадающейся частицы.

РИС. 45. Измерения массы нестабильной частицы концентрируются вокруг ее истинной массы, но допускают некоторый разброс в зависимости от времени жизни. На рисунке показана соответствующая зависимость для калибровочного W–бозона

Разобравшись в полученных измерительных данных при помощи описанных в этой главе методов, экспериментаторы могут обнаружить какую?нибудь частицу Стандартной модели (см. на рис. 46 сводку частиц Стандартной модели и их свойств)[50], а может, и что?нибудь совершенно новое. Ученые надеются получить на БАКе новые экзотические частицы, которые помогут глубже проникнуть в фундаментальную природу вещества или даже Вселенной в целом. В следующей части книги мы рассмотрим некоторые интересные возможности.

РИС. 46. Частицы Стандартной модели, организованные по типу и массе. В серых кружочках (иногда внутри квадратиков) приведены массы частиц. Число внутри стрелочек, образующих дуги, обозначает величину спина данной частицы. Мы видим здесь загадочное разнообразие элементов Стандартной модели