Закрученные пассажи

Глава 8 Экспериментальная интерлюдия: проверка Стандартной модели

One way, or another

I’m gonna find you…

Blondie[107]

Икару опять приснилось, что он встретил квантового детектива, на этот раз сыщик знал, что ему нужно, и у него была неплохая идея, где это должно быть. Все, что он должен был делать, — это ждать. Если он не ошибся, то рано или поздно его жертва появится.

Искать тяжелые частицы непросто. Но именно этим делом мы и должны заниматься, если собираемся выяснить лежащую в основе Стандартной модели структуру и в конце концов физический состав Вселенной. Наибольшая часть наших знаний о физике частиц получена с помощью экспериментов на ускорителях частиц высоких энергий, в которых сначала ускоряется быстро летящий пучок частиц, которые затем испытывают соударения с частицами других типов.

В коллайдерах частиц высоких энергий ускоренный пучок частиц на самом деле сталкивается с ускоренным пучком античастиц, так что они встречаются в малой области, содержащей огромное количество энергии. Эта энергия иногда превращается в тяжелые частицы, обычно не встречающиеся в природе. Коллайдеры частиц высоких энергий — то единственное место, где рождаются самые тяжелые известные частицы с момента Большого взрыва, когда значительно более горячая Вселенная содержала все частицы в изобилии. На коллайдерах в принципе можно создавать пары частиц и античастиц любого сорта, если только хватает энергии для рождения конкретной пары, что определяется формулой Эйнштейна E = mc².

Однако целью физики высоких энергий является не только поиск новых частиц. Эксперименты на коллайдерах высоких энергий дают информацию о фундаментальных законах природы, которые не доступны для наблюдения никаким иным способом, законах, которые действуют в области, слишком малой для того, чтобы ее можно было увидеть непосредственно. Эксперименты при высоких энергиях — единственный способ исследования любых взаимодействий, действующих на необычайно малых расстояниях.

В этой главе пойдет речь о двух экспериментах на коллайдерах, которые, с одной стороны, очень важны для подтверждения предсказаний Стандартной модели, а с другой стороны, накладывают ограничения на то, какие возможные теории за этим стоят. Сами эксперименты производят большое впечатление.

Но они должны также дать вам почувствовать, с чем в будущем предстоит столкнуться физикам, когда они обратятся к поискам новых явлений, например дополнительных измерений.

Открытые топ-кварка

История поиска топ-кварка замечательно иллюстрирует трудности поиска частиц на коллайдере в ситуации, когда его энергии едва хватает для их рождения, и экспериментаторам приходится применять все свое мастерство. Хотя топ-кварк не является частью какого либо атома или известного вещества, без него Стандартная модель была бы несамосогласованной, так что большинство физиков с начала 1970-х годов было уверено в его существовании. Однако вплоть до 1995 года никому не удавалось зарегистрировать хотя бы один топ-кварк.

К этому времени эксперименты по поиску топ-кварка тщетно проводились много лет. Кварк b, следующая по массе частица Стандартной модели, масса которой в пять раз больше массы протона, был открыт в 1977 году. Хотя физики в то время полагали, что топ-кварк вот-вот будет открыт, и экспериментаторы уже вступили в соревнование, кто быстрее его найдет и прославится, ко всеобщему удивлению опыт за опытом не давал результатов. Топ-кварк не могли найти на коллайдерах, работавших при энергиях в 40, 60 и даже 100 раз больших, чем та, которая нужна для рождения протона. Очевидно, что топ-кварк был тяжелым, существенно тяжелее всех других кварков, которые были уже открыты. Когда наконец после 20 лет поисков топ-кварк проявился на опыте, оказалось, что его масса почти в 200 раз больше массы протона.

Поскольку топ-кварк так тяжел, соотношения специальной теории относительности утверждают, что он может родиться только на коллайдерах, работающих на сверхвысоких энергиях. Такие энергии неизбежно требуют больших размеров ускорителя, так что сконструировать и построить подобный ускоритель технически очень трудно.