1611143688-95d5594d2be0e95e89d686a35c61b15f (825053), страница 39
Текст из файла (страница 39)
В этом эксперименте световые вспышки (флюоресценция и черенковское излучение) откаскада частиц, образованного в атмосфере высокоэнергичной космической частицей, будут регистрироваться специальным телескопом,установленным на орбитальной космической станции. Просматриваемая им площадь в каждый момент составляет 20000 км2. Ожидаетсярегистрация за год около 1000 частиц с энергией более 1020 эВ (16 Дж).Исследования космических частиц имеют две цели: во-первых,нужно понять, как они образуются, какие космические ускорители разгоняют их до таких больших энергий; во-вторых, оказывается, во Вселенной есть неизвестные науке формы материи, их обнаружение иизучение сейчас выходит на первый план.
Это еще будет обсуждатьсядалее. Если в класс космических частиц включить еще не обнаруженную темную материю, то актуальность изучения космических частицнесомненна, хотя они не могут конкурировать с ускорителями в систематическом и детальном изучении свойств материи.Следует отметить, что многие базовые идеи упомянутых выше коллайдеров (а также реализация некоторых их них или концептуальнаяпроработка) исходят из Института ядерной физики (ИЯФ СО РАН).Что касается реализации очередных проектов коллайдеров на высокуюэнергию, характерная стоимость которых составляет примерно 5–25910 млрд долларов, так что они могут быть построены только объединенными усилиями ведущих стран мира.Эксперименты на ускорителях проводятся с помощью детекторов,которые регистрируют все конечные частицы и определяют их параметры.
По сложности они сравнимы с самим ускорителем и даже вчем-то более продвинутые. Это касается, например, потоков информации и их обработки. Так, на LHC пучки сталкиваются 40 млн раз в секунду, за одно столкновение пучков будет происходить в среднем30 pp столкновений, сопровождающихся развалом протонов и рождением других частиц, а в каждом таком процессе будет рождаться болеесотни различных конечных частиц (т. е. несколько тысяч частиц завстречу). В результате быстрого анализа нужно выделить события,представляющие интерес, и затем записать их в память для дальнейшего анализа.
Не случайно именно в ЦЕРНе возникла идея WWW, а сейчас ЦЕРН продвигает проект GRID, который обеспечит передачу информации между ведущими центрами на уровне ГБ/с.Стандартная модельВ результате экспериментальных и теоретических исследований насегодняшний день сложилась довольно стройная картина, описывающая мир элементарных частиц, которую называют Стандартной моделью. Это заведомо временная схема, содержащая более двух десятков параметров (массы частиц и константы взаимодействия), которыенельзя пока выразить через какие-то более фундаментальные величины. Однако эта модель позволяет рассчитывать с высокой точностьютысячи всевозможных реакций. Так или иначе, эта теория есть результат титанического труда тысяч ученых и является вершиной человеческих знаний о природе.Стандартная модель имеет дело с тремя классами фундаментальныхчастиц: кварками, лептонами и калибровочными бозонами, являющимися переносчиками взаимодействий.
Они взаимодействуют посредствомдавно известных, но весьма загадочных четырех видов взаимодействий:сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного и движутсясогласно законам квантовой механики и теории относительности.КваркиСуществует 6 типов кварков (табл. 5). У каждого кварка есть антикварк с противоположным электрическим зарядом и другими зарядами.Кварки участвуют во всех видах взаимодействий.
Спин кварка равен1/2 (фермион). Кроме электрического заряда, кварки обладают цветовым зарядом, всего есть 3 цвета. Цветовой заряд в сильном взаимодей260ствии является аналогом электрического заряда в электромагнитномвзаимодействии. Аромат кварка – это некое квантовое число, присущеекварку, сохраняющееся в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но нарушающееся в слабых. Сохранение аромата запрещает, например, распад s d + g .
Кварки имеют также барионный заряд, сохраняющийся во всех взаимодействиях. Из кварков складываются барионы ( qiq jqk ) и мезоны ( qq ), они бесцветны (смесь трех цветов илицвета-антицвета). Например, протон – это uud . Взаимодействие междукварками осуществляется путем обмена глюонами, которые имеют 8цветов ( 3 ´ 3 - 1 (бесцветный) = 8). Кварки и глюоны ведут себя какточечные частицы с размерами менее < 10-17 см.Таблица 5КваркиТипudsсbtМасса, МэВ2–34–61001 3004 200175 000Эл. заряд+2/3–1/3–1/3+2/3–1/3+2/3Бар.
заряд1/31/31/31/31/31/3Аромат––strangecharmbeautytruthВ отличие от фотона глюоны имеют заряды (цвета) и поэтому взаимодействуют друг с другом. В результате сильное взаимодействие имеет почти кулоновский вид на достаточно малых расстояний, но прибольших расстояниях сила перестает падать из-за множественного рождения промежуточных глюонов, образующих своеобразные сети, поэтому в природе свободных цветных кварков с дробными зарядами нет.Если энергии достаточно, то кварк вырывает из вакуума дополнительные кварк-антикварковые пары, они слипаются в бесцветные адроны имезоны и в виде струй обычных бесцветных частиц вылетают из области рождения в направлении исходного кварка. Все это наблюдается вэкспериментах и хорошо согласуется со Стандартной моделью.Возможно, есть 4- и даже 5-кварковые состояния, но их существование пока под вопросом.
Почему у кварков такие массы, пока никтоне знает. И вообще, что лежит в основании Стандартной модели, неимеет объяснения (не сводится к более фундаментальным понятиям).261ЛептоныСуществует 6 типов лептонов (табл. 6). У каждого лептона есть античастица с противоположными зарядами. Лептоны участвуют во всехвидах взаимодействий, кроме сильного. Спин лептонов равен 1/2(фермионы). Лептоны ведут себя как точечные частицы с размерамименее 10-17 см.Таблица 6ЛептоныТипМасса, МэВ0,51Эл. заряд1Лепт. числоLe = 1105,61Lm = 1t1 7771Lt = 1e 1060Le = 1< 0,190Lm = 1 180Lt = 1emЕсть три относительно тяжелых заряженных лептона и три оченьлегких нейтральных нейтрино.
Хотя массы нейтрино еще напрямую неизмерены, однако из нейтринных осцилляций известно, что они отличны от нуля. В реакциях с участием лептонов сохраняется лептонноечисло, но оно нарушается в нейтринных осцилляциях.Калибровочные бозоныКроме кварков и лептонов существуют частицы, которые осуществляют взаимодействие между фермионами (кварками и лептонами).Это частицы с целым спином – калибровочные бозоны (табл. 7).Таблица 7Калибровочные бозоны8 цв. глюонWZГравитонМасса, Эл. заряд000080 000±191 000000262Спин11112Перен.взаимод.эл-магнитноесильноеслабоеслабоегравитационноеВзаимодействия, хиггсовсий бозон, общие замечания по СМВ 1970–1980 гг.
было установлено, что электромагнитное и слабоевзаимодействия являются одинаковыми по константе связи, разницатолько в том, что переносчики слабого взаимодействия W и Z бозоныимеют большую массу. Так возникла теория электрослабого взаимодействия. В основе лежит идея локальной (или калибровочной) симметрии. Требование такой симметрии приводит к появлению четырехбезмассовых калибровочных бозонов. Их можно было бы ассоциировать с g, W , Z , однако три последних – массивные.
Для выхода изположения английский физик Хиггс (и еще несколько физиков-теоретиков) предложили механизм спонтанного нарушения симметрии. Для этого пришлось ввести некое скалярное поле, заполняющее все пространство. Массы калибровочных бозонов и всех фермионов возникают за счет взаимодействия с этим полем, масса частицыпропорциональна ее константе взаимодействия с хиггсовским полем.Аналогичный подход был использован для построения теории сильныхвзаимодействий, которая носит название квантовой хромодинамики(от греч.
chroma – цвет).Несмотря на некоторую искусственность построения Стандартнаямодель, основанная на идее калибровочных полей и включающая электрослабую теорию и хромодинамику, замечательно выполняется напрактике. Для ее проверки необходимо было зарегистрировать хиггсовский бозон ( H ), являющийся возбужденным состоянием хиггсовского поля. Его масса не предсказывалась явно, однако из теоретических соображения (нестабильность вакуума, сильное самовзаимодействие Хиггсовских бозонов) следовало, что M H должна быть в районе120–200 ГэВ.
Из прецизионных экспериментов на LEP (поправки засчет виртуальных Хиггсов к другим процессам) и данных с Tevatronбыли указания, что масса Хиггсовского бозона лежит в области 115–160 ГэВ. Наконец, в июле 2012 г. два эксперимента на коллайдереLHC, ATLAS и CMS объявили одновременно об обнаружении хиггсовскго бозона с массой около 125 ГэВ. Для проверки того, что найденнаячастица действительно является хиггсовским бозоном, отвечающим завозникновение масс частиц, необходимо было убедиться, что вероятности распада H на пару частиц пропорциональны квадрату их масс.Так оно и оказалось. Фантастическое предсказание и открытие! Найденмеханизм происхождения масс элементарных частиц.
Несомненно, этоогромный шаг вперед, однако вопросов не убавилось.263Сколько же констант в Стандартной модели? Задача науки – найтиобщие закономерности и описать все явления природы минимальнымколичеством законов, т. е. аксиом. Хорошо было бы все выразить черезконстанты , c, G . Они задают масштабыдлины l p = (G / c 3 )1/2 = 1, 6 ´ 10-33 см,времени t p = (G / c 5 )1/2 = 5, 4 ´ 10-44 си массы m p = (c / G )1/2 = 2,18 ´ 10-5 г ~ 1019 ГэВ/с 2 ,которые называют планковскими длиной, временем и массой соответственно.Массы реальных элементарных частиц намного меньше планковской, поэтому возникает вопрос, можно ли будет когда-нибудь выразить их массы через планковскую массу. Есть удивительный факт, который говорит, что такое возможно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
