Окно в Новую Физику

Что-то всегда состоит из чего-то

Как известно, всё в нашем мире состоит из огромного числа атомов и молекул. Оказалось, что атом, который считался «неделимым», имеет структуру, которую в 1911 г. исследовал знаменитый английский физик Резерфорд. Он предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, атом – это сложное образование, в центре которого находится крошечное ядро, вокруг которого вращается облако электронов. Само ядро также является сложной системой. После открытия нейтронов в 1932 г. физики пришли к идее о протон-нейтронной модели ядра, т.е. что ядра состоят из протонов и нейтронов, которые ещё называются нуклонами. Учитывая структуру атома, мы могли бы сказать сегодня, что всё в мире состоит из электронов и нуклонов. В середине прошлого века в разных странах мира были введены в строй линейные ускорители электронов с огромной энергией. Например, в бывшем СССР такой ускоритель в 1963 г. был сооружен в Харьковском Физико-Техническом Институте АН Украины (УФТИ). Знаменитые опыты Хофшдатера в Стэнфордском университете, Palo Alto, СА, США позволили ему детально изучить структуру ядер и нуклонов, а также измерить их размеры. За эти прецизионные измерения Хофштадтер получил Нобелевскую премию. Оказалось, что нуклоны имеют структуру и состоят из кварков и глюонов. Особенности кварков состоят в том, что у них дробный заряд (в единицах заряда электрона) и они не существуют в свободном состоянии (confinement of quarks), т.е. они заперты внутри нуклона и когда расстояние между ними увеличивается, то они сильнее притягиваются друг к другу. Глюоны is a kind of glue, которые удерживают кварки вместе. Всего было обнаружено 6 кварков u, d, s, c, b, t. Соответственно они называются вверх, вниз, странный, очарованный, красивый, правдивый.

Большинство элементарных частиц (а их больше 300, включая так называемые резонансы) состоят из различных комбинаций кварков, соединённых глюонами. Например, протон состоит из uu (заряд u кварка +2е/3) и d (с зарядом –е/3) кварков, а нейтрон из dd и u кварков. Легко увидеть, что заряд протона равен +e, а нейтрона равен 0.

Для детального исследования мира частиц и проверки так называемой Стандартной модели в 2000 г. в Европе был построен гигантский суперколлайдер с энергией протонов сначала 7 ТэВ и затем увеличили её до 13 ТэВ (1 ТэВ = 10¹² эВ). На этом ускорителе был открыт в 2012 г. бозон Хиггса, предсказанный ещё 40 лет тому назад. Важность этого открытия состоит в том, что физикам удалось объяснить, как возникла масса во Вселенной, т.е. как бозон наделяет массой материю. В 2013 г. П. Хиггс и Ф. Энглер были удостоены Нобелевской премии за предсказание и теоретическое обоснование существования бозонов.

Коллайдер позволяет также ответить на многие вопросы современной физики и фактически является окном в новую физику. В частности, он позволяет проверить Стандартную модель, которая является одной из современных моделей и которая правильно предсказывает свойства многих частиц. Она описывает электромагнитные (ЭМ), слабые и сильные взаимодействия, но не включает гравитацию, а также тёмную материю и тёмную энергию. Эта модель не является окончательной теорией и является частью некоторой более глубокой теории строения микромира. Имеются различные подходы как можно было бы улучшить эту модель, например, заменить её Теорией Суперструн (или М-теория), супергравитации и суперсимметрии. Последняя связана с идеей о том, что каждая частица должна иметь более тяжелого партнера, т.е. суперчастицу. Теория Всего или Единая Теория Поля должна описывать все четыре взаимодействия, включая гравитацию.

Нашей Вселенной управляют четыре взаимодействия – слабое, сильное, ЭМ и гравитация. Слабое взаимодействие отвечает за распад элементарных частиц, а также за их превращение друг в друга. ЭМ взаимодействие необходимо для описания взаимодействия частиц с электрическим зарядом, сильное взаимодействие возникает между нуклонами, кварками, глюонами, а также барионами и мезонами. Его природа пока не выяснена. И, наконец, гравитация – это взаимодействие между всеми материальными телами природы. Она играет ничтожную роль в мире маленьких частиц ввиду их небольшой массы и ею можно пренебречь в мире маленьких частиц. В момент возникновения Вселенной (точка сингулярности) эти взаимодействия были объединены в одну единую суперсилу, которая распалась на четыре силы в результате расширения и охлаждения Вселенной. Разгадка природы суперсилы – одна из самых фундаментальных задач физики, поэтому физики ищут пути объединения всех четырёх взаимодействий, чтобы разгадать её природу. Например, электрослабое взаимодействие объединяет ЭМ и слабое взаимодействие, а Великое Объединение – сильное и электрослабое взаимодействия. Теория Всего должна объединить все четыре взаимодействия. Разгадка природы суперсилы позволит нам понять каким образом произошла наша Вселенная.

Рассмотрим какие важные открытия были осуществлены с помощью суперколлайдера в последние годы, энергия которого сегодня равна 13 ТэВ. Это самое гигантское сооружение в мире, построенное благодаря уму и таланту физиков из более чем 100 стран мира. Исследования на ускорителе позволяют глубже изучить особенности нашего мира и приблизить нас к пониманию того, что произошло в точке сингулярности, а также изучить, каким образом образовалась наша Вселенная и какова роль суперсилы.

Рассмотрим три поколения кварков и лептонов (лептоны – лёгкие частицы). Если кварки участвуют в сильных, слабых и ЭМ взаимодействиях, лептоны – в слабых и ЭМ, нейтрино – только в слабых. Кроме шести кварков (и соответствующих им антикварков), три поколения включают также шесть лептонов: электрон и электронное нейтрино, μ-мезон и μ-мезонное нейтрино, τ-мезон и τ-мезонное нейтрино. Таблица элементарных частиц включает также восемь глюонов, три бозона W⁺, Wˉ, Zᵒ, фотон и гравитон. Нейтрино и фотоны заполняют всю нашу Вселенную. Если бозоны состоят из трёх кварков, то мезоны из одного кварка и одного антикварка. Фотон и гравитон в отличие от фермионов имеют целый спин. Спин – собственный момент количества движения частицы. Три бозона – это частицы, ответственные за слабое взаимодействие, фотон за ЭМ и гравитон за гравитационное взаимодействие. Имеется некий прогресс в исследовании свойств тёмной материи, тёмной энергии и кварк-глюонной плазмы, которая имелась на ранних этапах развития Вселенной. Эта плазма создавалась на ускорителе в результате ядерного взаимодействия ионов свинца с протонами.

Другими важными результатами исследований были: отсутствие асимметрии протонов и антипротонов, рождение адронных струй, которые состоят из нескольких элементарных частиц (адроны – это сильновзаимодействующие частицы, а барионы – адроны, состоящие из трёх кварков), понять почему вещество во Вселенной превалирует над антивеществом. Предпринимались попытки обнаружить лёгкие чёрные дыры, кварки в возбуждённых состояниях и суперсимметрии частиц. Другими проблемами являются – сколько имеется бозонов Хиггса, почему гравитация является слабой силой в мире частиц, существуют ли магнитные заряды (магнитные монополи Дирака), возможен ли распад протона, имеются ли безмассовые частицы (кроме фотона) и если их нет, то объяснить, почему их нет, какова природа нейтрино и чему равна её масса, исследовать три поколения кварков и лептонов и теории, связывающие бозоны и фермионы. Кроме того, исследуются и другие проблемы – из чего состоят кварки (составные части кварков называют преонами), почему имеется только три поколения кварков, с чем связан разброс их масс и многое-многое другое. Интересно, что в 2034 г. планируется разработать ускоритель длиной 100 км и с энергией 100 ТэВ. Причина, почему физикам необходимы ускорители всё с большей и большей энергией проста. Исследования на них приближают нас к точке сингулярности и лучшему пониманию процессов, приведших к образованию нашего мира.

Подведём итоги. Одним из важнейших открытий на суперколлайдера было обнаружение бозонов Хиггса. Вторая важная задача – исследовать недостатки Стандартной модели и таким образом открыть окно в новую физику. Другие важные исследования включают поиски ответов на вопросы – почему вещество превалирует над антивеществом, имеют ли кварки структуру, объединение четырёх взаимодействий и природа суперсилы, кварк-глюонная плазма, поски супергравитации и суперсимметрии, природа нейтрино и её масса, существуют ли чёрные мини дыры, а также обнаружение частиц, которые не могут быть описаны в рамках Стандартной модели.

Илья Гулькаров