Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать - Брайан Кокс

Рис. 19

Рис. 20

Но вернемся к дейтрону. На рис. 19 показано, как он может образоваться в результате столкновения двух протонов. Кроме того, в каждом случае такого слияния можно обнаружить один антиэлектрон (позитрон) и одно нейтрино. Как мы уже отмечали, нейтрино поддерживают очень слабое взаимодействие со всеми остальными частицами Вселенной. Согласно основному уравнению именно так все и происходит, потому что нейтрино – единственная частица, которая вступает только в слабое взаимодействие. В итоге нейтрино, которые рождаются в сердце звезды, могут без всяких усилий сбежать от нее – они разлетаются во всех направлениях, а некоторые отправляются в сторону Земли. Подобно Солнцу, Земля для нейтрино почти прозрачна, и они проходят сквозь нее, даже не замечая, что она встретилась им на пути. Вместе с тем у каждого нейтрино все же есть небольшой шанс вступить во взаимодействие с атомом на Земле. Выше уже упоминалось, что это взаимодействие обнаруживается с помощью таких установок, как детектор Super-Kamiokande.

Как мы можем быть уверены в правильности стандартной модели, во всяком случае на том уровне точности, который обеспечивает современная экспериментальная база? На протяжении многих лет стандартную модель подвергали самым строгим тестам в разных лабораториях мира. Не стоит беспокоиться о том, что ученые предвзято относятся к этой теории. Те, кто проводит такие испытания, очень хотели бы найти слабые места или недостатки в стандартной модели и делают все возможное, чтобы ее развалить. Их мечта – хотя бы на мгновение увидеть новые физические процессы, которые могут открыть поражающие воображение новые перспективы и величественную картину внутреннего устройства Вселенной. Однако до настоящего времени стандартная модель выдержала все испытания.

Большой адронный коллайдер – самая последняя из крупных установок, используемых для проверки стандартной модели. Этот проект, в рамках которого сотрудничают ученые всего мира, преследует цель либо подтвердить, либо опровергнуть стандартную модель (немного ниже мы еще вернемся к БАК). Предшественником БАК был большой электрон-позитронный коллайдер (БЭПК), с помощью которого удалось провести ряд тонких тестов. Он находился внутри кольцевого тоннеля длиной 27 километров, вырытого под Женевой и несколькими живописными французскими деревнями. Этот коллайдер исследовал мир стандартной модели на протяжении 11 лет, с 1989 по 2000 год. Сильные электрические поля использовались для ускорения пучков электронов в одном направлении, а позитронов – в другом. Грубо говоря, ускорение заряженных частиц с помощью электрических полей напоминает механизм, применяемый в устаревших телевизионных приемниках с электронно-лучевыми трубками для выброса электронов на экран и создания изображения. Электроны выбрасываются с тыльной стороны устройства (поэтому старые телевизоры такие громоздкие), затем ускоряются электрическим полем и попадают на экран телевизора. Под воздействием магнита пучок электронов перемещается по экрану, создавая изображение.

В БЭПК также использовались магнитные поля, на этот раз для того, чтобы заставить частицы двигаться по кругу в соответствии с изгибом тоннеля. Весь смысл этой затеи состоял в том, чтобы устроить столкновение двух пучков частиц. Как мы уже знаем, столкновение электрона и позитрона может привести к аннигиляции обеих частиц, в результате которой их масса превратится в энергию. Именно эта энергия больше всего интересовала физиков, работавших с БЭПК, поскольку, согласно правилам Фейнмана, ее можно было бы превратить в более тяжелые частицы. На первом этапе работы ускорителя энергия электрона и позитрона очень близка к тому значению, которое существенно увеличивает вероятность создания частицы Z (вы можете просмотреть список правил Фейнмана в стандартной модели и убедиться, что аннигиляция электрон-позитронной пары, приводящая к рождению частицы Z, разрешена). На самом деле у частицы Z достаточно большая масса по сравнению с другими частицами: она почти в 100 раз тяжелее протона и примерно в 200 тысяч раз – электрона и позитрона. Следовательно, для того чтобы рождение частицы Z стало возможным, электрон и позитрон необходимо сталкивать друг с другом на скорости, очень близкой к скорости света. Безусловно, энергии, которая заключена в массе этих частиц и высвобождается после их аннигиляции, совершенно недостаточно для создания частицы Z.

Первоначальная цель, стоявшая перед БЭПК, была достаточно проста: вырабатывать частицы Z посредством многократного столкновения электронов и позитронов. При каждом столкновении пучков частиц существует довольно большая вероятность, что электрон из одного пучка аннигилирует с позитроном из другого пучка, что приведет к рождению одной частицы Z. Выстреливая эти пучки друг навстречу другу с большой скоростью, БЭПК за весь период существования смог образовать более 20 миллионов частиц Z в процессе аннигиляции электрон-позитронной пары.

Подобно другим частицам стандартной модели, частица Z нестабильна: она живет всего 10–25 секунды, прежде чем погибнуть. На рис. 21 показаны возможные варианты процесса создания частицы Z, которые представляли интерес для полутора тысяч физиков, работавших с БЭПК, не говоря уже о многих тысячах физиков по всему миру, с нетерпением ожидавших результатов. Благодаря использованию огромных детекторов частиц, окружающих точку столкновения и аннигиляции электрона и позитрона, специалисты по физике элементарных частиц смогли обнаружить и идентифицировать то, что образуется в процессе распада частицы Z. Современные детекторы, применяемые в физике элементарных частиц (такие как БЭПК), немного напоминают огромные многометровые цифровые фотоаппараты. Подобно самим ускорителям, эти детекторы представляют собой выдающееся достижение современного инженерного искусства. Расположенные в пещерах размером с собор, они могут с чрезвычайно высокой точностью измерить энергию и импульс единственной субатомной частицы. Эти установки – воплощение передовой инженерной мысли, что делает их прекрасным памятником нашего коллективного стремления к исследованию устройства Вселенной.

Рис. 21

Вооружившись этими детекторами и огромным парком высокопроизводительных компьютеров, ученые поставили перед собой одну из основных задач, решение которой подразумевало достаточно простую стратегию. Им необходимо было проанализировать полученные данные и идентифицировать столкновения, приводившие к рождению частицы Z, а затем определить характер ее распада для каждого такого столкновения. Иногда распад частицы Z приводил к образованию электрон-позитронной пары. А иногда – к созданию кварка и антикварка или, возможно, мюона и антимюона (см. рис. 21). Работа ученых сводилась к тому, чтобы подсчитать количество случаев распада частицы Z в соответствии с каждым из возможных сценариев, предусмотренных стандартной моделью, и сравнить полученные результаты с ожидаемыми показателями, предсказанными теорией. Имея в своем распоряжении данные о более чем 20 миллионах частиц Z, ученые смогли провести достаточно строгую проверку корректности стандартной модели. Как и следовало ожидать, ее результаты показали, что теория работает превосходно. Этот процесс, называемый измерением парциальной ширины, стал одним из самых важных испытаний стандартной модели, выполненных с помощью БЭПК. Впоследствии проводились еще многие испытания, и во всех случаях стандартная модель оказывалась верной. Когда в 2000 году БЭПК был закрыт, полученные с его помощью сверхточные данные позволили проверить стандартную модель с точностью 0,1 процента.

Прежде чем оставить тему тестирования стандартной модели, мы не можем не привести еще один пример эксперимента совершенно другого типа. Электроны (и многие другие элементарные частицы) ведут себя как крохотные магниты, и чтобы измерить этот магнитный эффект, были разработаны очень красивые эксперименты, не имеющие отношения к коллайдеру. Здесь нет никакого грубого столкновения материи и антиматерии. Вместо этого тщательно продуманные эксперименты позволяют ученым измерить магнетизм с поразительной точностью – до триллионной доли, аналогичной измерению расстояния от Лондона до Нью-Йорка с точностью до толщины человеческого волоса. Словно этого было недостаточно, физики-теоретики также работали не покладая рук. Они рассчитали тот же процесс. Раньше для выполнения вычислений такого рода достаточно было ручки и бумаги, но в наше время даже теоретикам не обойтись без хороших компьютеров.