Окно в Новую Физику

Что-то всегда состоит из чего-то

Photo copyright: pixabay.com

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.

[adinserter block=”13″][adinserter block=”16″]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.

[adinserter block=”14″][adinserter block=”17″]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