М.Г. Иванов - Как понимать квантовую механику, страница 8

1.8. Абрам Фёдоровиччто распадаться, т. к. он самый лёгкий из заИоффе (1880–1960). Wряженных частиц). Мюон и тау-лептон распадаются благодаря слабому взаимодействию (время жизни 2,19 × 10−6и 2,9 × 10−13 с).Благодаря тому, что мюон не очень тяжёл и распадается только посредством слабого взаимодействия, его время жизни сравнительно велико.За это время мюон может успеть притянуться к какому-либо атомному ядруи образовать мюонный атом. Поскольку мюон в 200 раз тяжелее электрона,радиус его орбиты оказывается в 200 раз меньше орбиты электрона.

Сидя на низкой орбите, мюон экранирует одну единицу заряда ядра, и дляэлектронов ситуация выглядит так, будто атомное ядро временно (пока живмюон) потеряло одну единицу заряда.Образование мюонного атома (мезоатома) может использоваться в физике твёрдого тела для создания имитации внедрения в кристаллическуюрешётку атома с номером меньшим на 1.Возможны не только мюонные атомы, но и мюонные молекулы (мезомолекулы), размеры которых также в 200 раз меньше размеров их электронных аналогов. В мезомолекулярном ионе, состоящем из двух ядер во8 Нейтриноещё проще, но его ловить трудно.1.1.

В ГЛУБЬВЕЩЕСТВА15дорода (дейтерия, трития9 ) и одного отрицательного мюона ядра водорода сближены на расстояние, которое в обычной плазме соответствовалобы температуре порядка 3 × 107 K. В результате за время много меньшеевремени жизни мюона (порядка 10−9 –10−12 c) в ионах тяжёлого водорода DDμ, T T μ, DT μ происходит слияние ядер (термоядерная реакция),после чего мюон может успеть образовать новую мезомолекулу и сновавызвать слияние ядер. Поскольку мюоны, вызывая ядерную реакцию, самипрактически не расходуются, этот процесс называется мюонным катализом. Процесс длится до тех пор, пока мюон не распадётся или не будетсвязан ядром гелия10 .

Идея мюонного катализа была высказана А. Д. Сахаровым в 1940-х годах.Мюон иногда называют мю-мезоном, однако мезоном, в соответствиис современной классификацией, он не является.Три разновидности нейтрино называются по именам соответствующихзаряженных лептонов — электронным, мюонным и тау-нейтрино.Электрону, мюону, тау-лептону и соответствующим нейтрино приписывается лептонное число (лептонный заряд) +1, соответствующим античастицам приписывается лептонное число −1.

Суммарное лептонное числосохраняется.Какого-либо взаимодействия, источником для которого был бы лептонный заряд, также не обнаружено. Не обнаружено и фундаментальныхпричин, по которым этот заряд был бы обязан сохраняться. Поэтому и еголучше пока называть просто лептонное число.Все нейтрино участвуют только в гравитационном и слабом взаимодействиях. По этой причине они очень слабо взаимодействуют с веществом. Нейтрино может (с вероятностью близкой к единице) пролететь насквозь звезду типа Солнца.Как показали опыты по наблюдению осцилляций нейтрино, они имеют ненулевую массу, причём нейтрино «на лету» периодически меняет свойсорт превращаясь из электронного в мюонное и обратно.

Из-за этого потокэлектронных нейтрино, идущий от Солнца, вдвое ниже теоретически предсказанного без учёта осцилляций нейтрино11 .9 Дейтерий и тритий — тяжёлые изотопы водорода. Ядро дейтерия — дейтрон состоит изпротона и нейтрона D = pn, ядро трития — тритон состоит из протона и двух нейтроновT = pnn.10 См. обзор Герштейн С. С., Петров Ю. В., Пономарёв Л. И. Мюонный катализ и ядерныйбридинг // УФН. — 1990. — Vol. 160(8). — P. 3–46.11 Отталкиваясь от факта недостачи солнечных нейтрино, Артур Кларк написал в 1986 годунаучно-фантастический роман «Песни далёкой Земли» («The Songs of Distant Earth»; не пу-16ГЛАВА 1Очень важной проблемой для астрофизики является оценка плотностиэнергии, содержащейся в нейтрино низких энергий.

Такие нейтрино несутслишком низкую энергию, чтобы их можно было зарегистрировать по вызываемым ими ядерным реакциям, поэтому они могут незаметно для астрономов обладать энергией, сравнимой с энергией всего «обычного» веществаво Вселенной. Нейтрино должны давать вклад в тёмную материю — неизвестное вещество, обнаруживаемое астрономами только по гравитационным эффектам, составляющее большую часть (порядка 34 ) массы галактики свободно проходящее сквозь галактики при их столкновении.1.1.8. Поле Хиггса и бозон Хиггса*В квантовой теории поля безмассовые частицы описываются проще,чем массивные. В частности, наличие массы у истинно элементарных частиц (лептонов, кварков, калибровочных W и Z бозонов) нарушает некоторые симметрии, естественные для стандартной модели физики элементарных частиц.По этой причине большой популярностью среди современных физиков пользуется механизм Хиггса образования масс фундаментальных элементарных частиц.Масса частицы связана с её энергией покоя знаменитым соотношениемE = mc2 .Можно сказать, что масса — это и есть энергия покоя, только пересчитаннаяв единицы массы (делённая на c2 ).Гипотеза Хиггса предполагает, что все истинно элементарные частицы«на самом деле» безмассовы, а их энергия покоя (наблюдаемая масса) — этопотенциальная энергия в поле Хиггса.Поле Хиггса — это гипотетическое поле, потенциал которого, как правило, постоянен и отличен от нуля во всём пространстве.

(Почему потенциал Хиггса оказался отличен от нуля мы обсудим в следующем разделе 1.1.9. «Вакуум».) Потенциальная энергия взаимодействия частицы с полем Хиггса определяется произведением потенциала Хиггса на некоторуюконстанту взаимодействия, характерную для данного сорта частиц (эта константа пропорциональна наблюдаемой массе частицы)12 .тать с одноимённым рассказом!), в котором предполагается, что недостаток нейтрино связанс предстоящей вспышкой Солнца как новой звезды.12 В лагранжиане фермиона массе соответствует член вида 1 ψ̄mψ, который по форме похож2на взаимодействие поля ψ, описывающего частицу, с некоторым полем m.

Мы представляем1.1. В ГЛУБЬВЕЩЕСТВА17Следует специально отметить, что данный механизм относится только к истинно элементарным частицам. Для протонов и нейтронов, которыеобразуют большую часть массы обычного вещества, подавляющую частьмассы составляют не массы образующих их кварков, а энергия соединяющих кварки глюонных струн13 .Как и всякое физическое поле, поле Хиггса должно быть квантовым.На фоне упомянутого выше постоянного (фонового) потенциала Хиггсавозможны возбуждения (волны). Кванты этих возбуждений представляютсобой ещё один сорт элементарных частиц — бозон Хиггса (или частицаХиггса, или просто хиггс).Даже когда механизм Хиггса являлся гипотезой, не подкреплённойдостаточными экспериментальными доказательствами, популярность этойгипотезы была столь велика, что её опровержение вызвало бы в сообществе физиков намного большее удивление, чем её подтверждение.

(Впрочем, и на этот случай физики уже подготовили несколько альтернативныхгипотез.)В 2012 г. на Большом адронном коллайдере был обнаружен бозонХиггса (или частица очень на него похожая). В 2013 году14 Нобелевскаяпремия по физике была вручена Франсуа Энглеру и Питеру Хиггсу «Затеоретическое обнаружение механизма, который улучшает наше пониманиепроисхождения массы субатомных частиц, подтверждённого в последнеевремя обнаружением предсказанной элементарной частицы в экспериментах ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН.» WМасса открытой частицы составила125,5 ± 0,6 ГэВ (AT LAS),125,7 ± 0,4 ГэВ (CM S).Пока преждевременно считать, что проблема исследована в достаточной степени, но если открытие подтвердится и частица действительно окажется тем самым хиггсом, то взаимодействие Хиггса окажется пятым фундаментальным взаимодействием, (в дополнение к гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому).Как и слабое взаимодействие, хиггсовское взаимодействие не создаётэкспериментально обнаружимых сил взаимодействия, по причине большойm = m0 Φ, где Φ — поле Хиггса, а m0 — константа взаимодействия, и получаем стандартныйпо форме трёхчастичный член 12 m0 ψ̄Φψ.13 Напоминаем, что суммарная масса кварков для протона — 11 МэВ, а его полная масса —938 МэВ; суммарная масса кварков для нейтрона — 13 МэВ, а его полная масса — 939,5 МэВ.14 Неслыханная оперативность, не свойственная Нобелевскому комитету в последние годы.18ГЛАВА 1массы переносчика.

Оно проявляется в процессах двух видов: в появлениимассы у кварков, лептонов, калибровочных W и Z бозонов и в распадах, вкоторых бозон Хиггса появляется на промежуточном этапе как виртуальнаячастица.Бозон Хиггса и прессаЕщё не будучи открытым бозон Хиггса приобрёл бешеную популярность (с элементами истерии) в прессе, где его величают «частицей Бога»и связывают его получение с возможным концом света. Разумеется, подобная популярность связана не столько с физикой, сколько с эффектамиобщественного сознания.Вероятно, первопричиной популярности частицы Хиггса является то,что её обнаружение объявлено одной из главных целей Большого адронногоколлайдера (БАК) — самого сложного технического устройства, созданногокогда-либо человечеством.

Первоначальный толчок раздуваемым прессойсенсациям дали сами физики, пытаясь популярно объяснить прессе зачемнужен БАК.Такая популяризация современной физики для широкой неподготовленной аудитории неизбежно содержит в себе черты вульгаризации,а в условиях, когда новости (и, в особенности, сенсации) являются скоропортящимся товаром, который надо быстро продать, жёлтая пресса15 началасоревнование по наиболее сенсационной подаче публике Большого адронного коллайдера и бозона Хиггса.Дополнительным источником сенсаций («газетных уток») про бозонХиггса явилась «интерференция» новостей о нём с сообщениями о возлагаемых на БАК надеждах на открытие эффектов квантовой гравитации,таких как рождение микроскопических чёрных дыр и их разновидностей(кротовых нор, машин времени).На протяжении многих десятилетий эффекты квантовой гравитациипредсказывались для энергий, сравнимых с энергией Планка (1,2×1028 эВ).Такие прогнозы убивали надежды на экспериментальное исследованиеквантовой гравитации в исторически обозримом будущем (энергия, достигаемая на БАК, — 1,4 × 1013 эВ, она меньше энергии Планка в 1015 раз).15 К сожалению, в вопросах фундаментальной науки к «жёлтой прессе» следует относитьвсе средства массовой информации (СМИ), за исключением специальных научных изданийи очень небольшого числа лучших научно-популярных изданий.

В качестве первого приближения вы смело можете считать «жёлтым» любое СМИ, в котором может быть опубликованастрологический гороскоп.1.1. В ГЛУБЬВЕЩЕСТВА19В последние полтора десятка лет (примерно с 1998 г.) физики научилисьпридумывать модели, в которых квантовая гравитация проявляет себя ужена следующем поколении ускорителей, а также научились объяснять себе,почему эти модели можно считать естественными (действительно, стольгромадное различие в характерной энергии между гравитацией и всемиостальными фундаментальными взаимодействиями выглядит странно).Для прессы бозон Хиггса, который связан с полем Хиггса, котороеответственно за появление у некоторых частиц массы, и эффекты квантовой гравитации, которые также, очевидно, связаны с массой, практическинеразличимы, поэтому страшилки на обе темы друг друга взаимно подпитывали и усиливали.Разумеется, как бозон Хиггса, так и чёрные микродыры быстро распадаются и вполне безопасны для человека, не подставляющегося под пучокускорителя.1.1.9.