Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

В ПОИСКАХ АДРОНОВ

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.