Tweeter button Facebook button Youtube button

Чего ожидать от Стандартной модели и коллайдеров?

18/01/2015
By

print
Член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой физики элементарных частиц МФТИ Михаил Данилов

Член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой физики элементарных частиц МФТИ Михаил Данилов

1. В 2012 году на Большом адронном коллайдере был открыт бозон Хиггса, последнее недостающее звено замечательной теории, которая называется «стандартная модель» и которая описывает все, что мы с вами видим вокруг. В 2013 году Франсуа Эглер и Питер Хиггс получили Нобелевскую премию за его предсказание. После открытия бозона Хиггса, который все уже привыкли называть «последним кирпичиком» стандартной модели возникли разговоры о том, что физика закончилась. Но надо заметить, что физику пытались похоронить много раз. Еще в 1900 году лорд Кельвин писал: «В физике больше нельзя открыть ничего нового, дальше только будет расти точность измерений». В середине 1980-х годов физики Гелл-Ман и Цвейг придумали кварки. В то время физики думали, что найдена теория, которая описывает все, ее даже так и называли – «теория всего» (theory of everything). Не прошло и года, как выяснилось, что «теория всего» вовсе не описывает всего, что мы видим с вами вокруг себя. Так и сейчас, с открытием бозона Хиггса – это только завершение стандартной модели. Очень красивой теории, может быть, самой красивой теории, которую когда-либо создавало человечество, которая описывает все, что мы видим вокруг нас. Но над стандартной моделью есть темные тучи – «темная материя» и «темная энергия». То, что мы знаем, это всего лишь 5% того, что есть во Вселенной. Поэтому можно сказать, что физика только начинается.

2. Стандартная модель выглядит очень просто и элегантно: материя состоит из атомов, атомы состоят из электронов и ядер, ядра состоят из протонов и нейтронов, протоны и нейтроны состоят из u- и d-кварков. Электроны в атоме удерживаются с помощью электромагнитного взаимодействия, его переносчиком является гамма-квант. Кварки внутри протонов и нейтронов, а также протоны и нейтроны внутри ядер удерживаются с помощью сильного взаимодействия, переносчиком сильного взаимодействия являются глюоны. И есть еще слабое взаимодействие, его переносчиками являются W- и Z-бозоны, слабые взаимодействия приводят, в частности, к β-распаду нейтрона на протон, электрон и анти-нейтрино. Кроме протона и нейтрона существует еще много других «адронов» – сильно взаимодействующих частиц. Они разделяются на барионы – примерами являются протон и нейтрон – частицы с полуцелым спином –  и т. н. фермионы. Спин можно представить себе как вращение частицы. Как и все другие величины в квантовом мире, он принимает квантованное значение; если спин полуцелый, то это фермион, если целый – то это бозон. Фермионы и бозоны имеют разные «привычки», фермионы – индивидуалисты, они никогда не находятся на одном и том же энергетическом уровне, а бозоны совершенно замечательно там уживаются. Примерами бозонов являются пи-мезоны, ро-мезоны и т. д. И, наконец, имеется бозон Хиггса, который дает массы всем частицам, он и был найден в 2012 году на БАКе.

3. Гелл-Ман и Цвейг предположили, что все «адроны» состоят либо из трех кварков, как нейтрон и протон, либо из кварка и антикварка – это мезоны. Кварки имеют спин ½ (то есть они – фермионы) и дробный электрический заряд. Заряд у кварка – это + ⅔ от заряда позитрона. Кроме того, у кварков имеются «цвета». Цвет – это аналог электрического заряда для сильного взаимодействия, и взаимодействие настолько сильное, что оно не выпускает кварки из адронов, поэтому все адроны – бесцветные, а бесцветным можно сделать адрон, либо создав систему из кварка и антикварка, либо из трех кварков с дополнительными цветами. Если собрать три дополнительных цвета, то получится белый цвет. Так и здесь получается бесцветный адрон. Надо заметить, что кроме таких адронов возможны и более сложные состояния, например, два кварка и два антикварка, они тоже могут быть бесцветными. Они называются экзотическими адронами. Их искали много лет, и только недавно в эксперименте Belle были обнаружены такие состояния.

4. Стандартная модель выглядит чрезвычайно просто: для того чтобы построить все, что мы видим вокруг нас, нужны всего лишь четыре частицы и соответствующие античастицы (у каждой частицы есть своя античастица) – u-кварк, d-кварк, электрон и нейтрино. Но природа придумала еще два набора частиц, которые очень похожи на первый набор. Для чего они нужны – не совсем ясно, но они существуют, просто они несколько более тяжелые. Эти наборы частиц называются «поколениями кварков и лептонов». Кварки внутри поколения связаны сильнее друг с другом, между поколениями связи уже слабее, например, «очарованный кварк» чаще всего распадается на кварк своего поколения – «странный кварк», s-кварк - и в 20 раз реже распадается на d-кварк, кварк из другого поколения. Связи кварков между первым и вторым поколением меньше, чем внутри поколений, связи кварков между вторым и третьим поколениями еще меньше, и совсем маленькие связи между первым и третьим поколениями. Впервые эти связи были обнаружены в эксперименте ARGUS. Зачем нужны эти поколения – до конца непонятно. Почему различаются массы и константы кварков – тоже непонятно. Например, массы u- и d-кварков масштаба МэВ, то есть 10-3 от ГэВ, а масса t-кварка – в 100 000 раз больше. Почему? Не знает пока никто.

5. На первый взгляд, нейтрино вообще не нужно для того, чтобы построить все, что мы видим вокруг. Кроме того, нейтрино почти не взаимодействует с нашим миром. Через каждого из нас проходят 500 трлн нейтрино каждую секунду, и мы этого не замечаем. Зачем нужна такая частица? Но оказывается, что без нее не светило бы Солнце. Дело в том, что первым шагом в цикле термоядерных реакций является слияние двух протонов в дейтон, позитрон и электронное нейтрино. В экспериментах SAGE и GALLEX обнаружили дефицит солнечных нейтрино от реакции основной, которая прямо связана со светимостью Солнца, и тогда стало ясно, что нейтрино разного типа могут переходить друг в друга, осциллировать. Затем в эксперименте SNO уже четко подтвердили, что дефицит солнечных нейтрино связан с осцилляциями в другие типы нейтрино. В эксперименте Kamiokande обнаружили осцилляцию мюонных нейтрино, рожденных в атмосфере космическими лучами. И, наконец, недавно в ряде других экспериментов обнаружили осцилляции реакторных нейтрино на малой длине, это еще один, последний, кирпичик в картину осцилляции нейтрино. Предполагается возможность осцилляции нейтрино в новое состояние, стерильное состояние, которого нет в стандартной модели, и сейчас мы вместе с ОИЯИ ищем такие осцилляции. Если такое нейтрино будет найдено, то это будет свидетельством новой физики за рамками стандартной модели, но пока что мы говорим именно про стандартную модель.

6. Константы связи кварков разных поколений (точнее, их квадраты, от которых зависят вероятности процессов) внутри поколений большие, между первым и вторым поколением они поменьше, между вторым и третьим еще меньше, а вот между третьим и первым их почти не видно. Тем не менее, мы сумели их обнаружить. Смешивание нейтрино выглядит совсем по-другому- здесь такой иерархии вовсе нет, все соответствующие константы – одного и того же порядка. Почему? Никто не знает. Связано ли это с массами – тоже пока не понятно. Это все вопросы, на которые стандартная модель, несмотря на ее совершенство, ответа пока не дает.

7. Константы связи, константы взаимодействия электромагнитного, слабого и сильного в действительности константами не являются. Они меняются с ростом энергии из-за поляризации вакуума, поэтому их даже называют «бегущими константами». Вакуум – это вовсе не пустое место, в нем постоянно возникают виртуальные пары, например, электрон – позитрон, кварк – антикварк и так далее. Если мы помещаем в вакуум заряд, то этот заряд поляризует вакуум, виртуальные позитроны и электроны ориентируются так, что они экранируют этот заряд и в результате эффективная константа электромагнитного взаимодействия оказывается меньше. Если мы будем двигаться ближе и ближе к нашему заряду, то есть уменьшать расстояние, а это то же самое, что увеличивать энергию, то экранировка будет меньше и константа электромагнитного взаимодействия будет увеличиваться. То есть она вовсе и не константа. А в случае сильного взаимодействия константа уменьшается с ростом энергии, и это явление называется асимптотической свободой. При больших энергиях кварки оказываются полностью свободными частицами.

8. При больших энергиях электромагнитные силы и слабые силы сравниваются по величине. Происходит объединение слабого электромагнитного взаимодействия, это все описывается электрослабой теорией. Ожидается, что при больших энергиях и сильное взаимодействие также объединится в единое взаимодействие, это называется «великим объединением взаимодействия» – the grand unification. А еще при больших энергиях, может быть, и гравитационное взаимодействие тоже присоединится.
Возможно, на вопрос «зачем нужны три поколения?» ответ уже дан. В 1973 году Кабояши и Маскава еще до того, как третье поколение было обнаружено, предположили его существование для того, чтобы объяснить различие свойств материи и антиматерии. А это различие, как показал академик Сахаров, необходимо для барионной асимметрии Вселенной - для избытка материи в нашей Вселенной. Без этого избытка, без различия в свойствах материи и антиматерии, материя и антиматерия, которые родились в самом начале Вселенной, проаннигилировали бы, и не осталось бы ничего, кроме фотонов, а из фотонов не построишь звезды, планеты и нас с вами.

В теории, которую мы сейчас обсуждаем, константы связи трех поколений образуют треугольник на комплексной плоскости, и углы этого треугольника отвечают за различие свойств материи и антиматерии. Если было бы только два поколения, то это были бы просто два отрезка, которые друг на друга наложились, не было бы никаких углов и не было бы различия в свойствах материи и антиматерии, то есть действительно нужно три поколения, чтобы это различие увидеть. В 2008 году за предсказание этой теории Кабояши и Маскава получили Нобелевскую премию. Однако обнаруженный механизм оказался недостаточным для объяснения избытка материи во Вселенной, и поэтому продолжаются поиски новых механизмов нарушения симметрии между материей и антиматерией, ее называют СР-симметрия.

9. Последнее звено стандартной модели - бозон Хиггса. Массы частиц в стандартной модели возникают из-за взаимодействия с полем Хиггса. Для пояснения этого механизма мне нравится следующая аналогия: если мы положим на стол несколько маленьких листочков бумаги и дунем, то они мгновенно улетят, они практически без массы. Но если мы нальем на стол масло и снова подуем, то они будут двигаться, но не быстро. То есть у них появилась эффективная масса за счет взаимодействия с маслом, которое мы налили. Точно так же и у частиц – из-за взаимодействия с полем Хиггса возникает эффективная масса. А бозон Хиггса – это квант этого поля, «капелька масла», который тоже взаимодействует с маслом и за счет этого приобретает массу. Так вот, поскольку бозон Хиггса дает массу всем частицам, то он рождается с помощью тяжелых частиц и распадается на самые тяжелые частицы.

10. Основным механизмом рождения бозона Хиггса на БАКе является слияние двух глюонов, которые рождают сначала t-кварки, а уж t-кварки дают хиггсовский бозон. Если посмотреть наоборот по времени, то хиггсовский бозон рождает пару t-кварка и анти-t-кварка, самые тяжелые кварки, и они потом распадаются либо на безмассовые глюоны, либо на два фотона. Распад на два фотона чрезвычайно важен, хотя вероятность его чрезвычайно мала. Но он, тем не менее, был важен для обнаружения хиггсовского бозона. Для открытия хиггсовского бозона был, собственно говоря, построен БАК. Это была его основная задача.

11. Почему же бозон Хиггса настолько важен? До открытия хиггсовского бозона стандартная модель была справедлива примерно до энергии в 1 ТэВ, а затем должно было что-то произойти. Либо хиггсовский бозон, либо что-то еще другое. В действительности, мы этого не знали до открытия хиггсовского бозона. Были разные теории. Теперь, после открытия бозона, стандартная модель может быть справедлива даже до массы Планка, то есть в колоссальном интервале энергии. А если стандартная модель работает до очень больших энергий и ничего не происходит, то наш вакуум, в котором мы живем, может быть, не является стабильным. Хиггсовский потенциал устроен таким образом, что минимум находится не при «нулевом» значении поля, а при каком-то другом. И в результате из-за того, что он находится не при нулевом значении поля, наш мир «сваливается» в этот вакуум, это называется «спонтанным нарушением симметрии», и в результате того, что поле в вакууме не равно нулю, частицы приобретают массы. Но может оказаться, что этот минимум, в котором мы живем, он не самый низкий, а существует еще более низкий минимум. И тогда, в соответствии с законами квантовой механики, возможен «тоннельный переход» в этот минимум, то есть наш вакуум может распасться в настоящий вакуум. Если время этого тоннельного перехода – его можно оценить – больше, чем время жизни Вселенной, то нам волноваться нечего. Вряд ли что-то произойдет во время нашей жизни. А если оно меньше времени жизни Вселенной, то тогда ситуация немного более опасная. Получилось так, что мы живем как раз на границе стабильного вакуума и метастабильного. По-видимому, мы находимся в области метастабильного вакуума, но он – «долгоживущий», и ничего с нами не произойдет. Еще раз повторю, что все это справедливо только в том случае, если стандартная модель работает до очень больших масс, если ничего «по дороге» не встречается.

12. Итак, проблемы, которые имеются в стандартной модели:

  • в ней слишком много параметров;
  • не ясна причина иерархии массы констант связи;
  • не до конца ясно, зачем нужны три поколения;
  • не объясняет стандартная модель доминирования материи во Вселенной;
  • стандартная модель не включает гравитацию
  • и, наконец, стандартная модель описывает лишь малую долю того, что есть во Вселенной.

Вселенная на 73% состоит из темной энергии, на 23% – из темной материи, и всего лишь 4% составляет та материя, из которой состоим мы с вами и которую описывает стандартная модель. В стандартной модели нет, скажем так, «хороших кандидатов» для темной материи. С другой стороны, есть теория суперсимметрии, которую предложили Гольфанд и Лихтман в 1971 году. Она имеет очень хорошего «кандидата» на частицы темной материи. В этой теории у каждого фермиона – частицы с полуцелым спином – имеется двойник, частица с целым спином. И наоборот – у каждого бозона имеется ферми-двойник. У электрона имеется скалярный электрон, у кварка – скалярный кварк, у фотона, который бозон, есть партнер – фотино-фермион и так далее. И вот в этой теории самая легкая частица стабильна и может выполнять роль частиц темной материи. Теория суперсимметрии – очень мощная теория, обладает многими очень хорошими свойствами, в частности, она стабилизирует массу Хиггса, и вообще очень элегантная, поэтому многие теоретики ее любят, и поиски суперсимметрии являются одним из основных направлений работы БАКа сейчас.

13. В 2015 году энергия в БАКе будет увеличена до 13 ТэВ, что позволит сильно продвинуться по массам частиц, которые могут быть на нем рождены. Очень важно уточнить свойства бозона Хиггса и других частиц.

Есть надежда найти свидетельства существования новых виртуальных частиц, которые возникают на короткое время, но меняют свойства тех частиц и тех процессов, которые мы уже знаем. Для этого лучше использовать электрон-позитронные коллайдеры. Зачем нужны одновременно и электрон-позитронный, и адронный коллайдер? Дело в том, что в адронном коллайдере сталкиваются протоны, а это очень сложные объекты, и мы пытаемся изучить свойства составляющих этих объектов. В электрон-позитронном коллайдере сталкиваются точечные частицы, и поэтому мы точно знаем начальные состояния, и это очень многое дает. Фон на международном линейном коллайдере в миллион раз лучше, чем на БАКе. Кроме того, на линейном коллайдере возможна регистрация невидимых распадов Хиггса и полная реконструкция событий.

Суммарно можно сравнить коллайдеры таким образом: бозон Хиггса на линейном коллайдере может быть обнаружен за один день. А на БАКе это заняло два года. Линейный коллайдер предполагается построить в Японии. Это громадный ускоритель длиной 31 км, очень сложная машина. Скажем, размер пучка позитронов и электронов составляет всего лишь 6 нанометров. Это в 10 000 раз меньше, чем толщина человеческого волоса. И, стреляя с расстояния 31 км, необходимо попасть этими пучками с такой точностью. Это чрезвычайно сложная инженерная задача, но это возможно. Основная цель - изучение констант связей Хиггсовского бозона. Они должны быть пропорциональны массам частиц. Точность, с которой они могут быть измерены на линейном коллайдере, в 3–10 раз лучше, чем точность на БАКе. А константы связей Хиггса очень чувствительны к новой физике, за рамками стандартной модели. Поэтому, точно измеряя константы связей Хиггса, мы можем сказать о том, какие модели правильные, какие неправильные.

Очень много открытий ожидается в нейтринной физике и в низкофоновых проектах. Так что будущее очень интересно, очень интригующе.

Источник Полит.ру

Tags: , , , , , ,

One Response to Чего ожидать от Стандартной модели и коллайдеров?

  1. Владимир on 24/01/2015 at 21:14

    Если определить массы ядер элементов в метастабильном вакууме и в стабильном вакууме, то для масс ядер, актуализированных в текущее время, энергия связи нуклонов в ядрах метастабильного пространства будет превосходить энергию связи нуклонов в ядрах стабильного пространства на уровне МэВ: в max в 1,000419 раза и в min в 1,000333 раза. И наоборот: для min масс ядер стабильного пространства относительно метастабильного пространства энергия связи нуклонов в min и в max в 2.003741 раза больше, а для max масс ядер - в min больше в 1,39771 раза, в max больше в 1,397407 раза. Таким образом, можно количественно оценить нарушение симметрии пространств стабильного и метастабильного вакуума.

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

amplifier for 8 speakers
Алёна Петрова

ПОПУЛЯРНЫЕ

В началоВ начало
sonos multi-room music system zonebridge br100 sonos multi room music system zoneplayer zp120 + zp90 sonos multi-room music system zone bridge br100 box multi room speaker system airplay apple multi room speaker system