1611143688-95d5594d2be0e95e89d686a35c61b15f (825053), страница 40
Текст из файла (страница 40)
Три вида взаимодействия, о которых мы говорили: сильное, электромагнитное и слабое, имеют константы взаимодействия, которые зависят от расстояния за счет виртуальных заряженных частиц (электрон-позитронные, кварковые пары идр.), рождающихся из вакуума, или иначе – поляризации вакуума. Расстояния часто выражают в энергетических величинах в соответствии ссоотношением неопределенности Гейзенберга (Q c/r ) . При этомоказывается, что при Q 1016 ГэВ все константы сравниваются.
Этоможет свидетельствовать о возможном объединении этих взаимодействий в некое единое взаимодействие. Эту теорию (гипотезу) называютВеликим объединением. Одним из предсказаний этой теории являетсянестабильность протона (с нарушением барионного числа). Распадпротона уже много лет пытаются обнаружить, просматривая фотоумножителями большие баки с водой (до 50 000 т, Super-Kamiokande).Установлен предел на время жизни p 1034 лет.
Эксперименты будутпродолжены с большим объемом воды (на порядок).Однако вернемся к вопросу о количестве фундаментальных констант в физике. Много, даже сосчитать не просто.Начнем с масс фундаментальных частиц: 6 кварков, 6 лептонов,2 массивных калибровочных бозона, хиггсовский бозон – всего 15.Добавим константы сильного и электромагнитного взаимодействия(константа слабого взаимодействия выражается через заряд электронаи массы калибровочных бозонов) – всего 2.264Превращение кварков из одного в другой при взаимодействии сW - бозоном описывается матрицей (3 x 3) Кабибо – Кабаяши – Маскава, в которой 4 независимых параметра: три угла смешивания и фаза,связанная с нарушением СР-симметрии.
Для лептонов (включая массивные нейтрино) есть аналогичная матрица Маки – Накагава – Саката(3 x 3) с 4 независимыми параметрами. Всего 8.Итак, кроме трех констант , c, G задающих размерности длины,времени и массы, мы насчитали еще 25 констант! И это еще без космологии, где тоже есть космологическая константа и неведомая темная материя. Явный «перебор», но это то, что сейчас имеется. Однако сведениебесконечного количества явлений природы к такому небольшому количеству констант (законов природы) – это тоже большое достижение.Нерешенные проблемы. Дальнейшее развитие теорииНерешенных проблем не счесть.
Еще очень далеко до разгадкистроения материи. Это следует из того, что мы не умеем вычислятьвышеупомянутые константы и их количество продолжает расти (хотя ине раз сокращалось). Мы не понимаем даже, почему наша Вселеннаясостоит в основном из материи, куда делась антиматерия? Уже найдены процессы на уровне элементарных частиц, в которых наблюдаетсятакая асимметрия (в распадах K- и B-мезонов), однако этого недостаточно для объяснения наблюдаемой асимметрии во Вселенной.Обычно новые явления сначала пытаются объяснить на основе ужесуществующих знаний, но что делать, если явление выходит за рамкистандартной модели? Теоретики часто предлагают совершено фантастические идеи типа пространства с большим количеством измерений;суперструны, которые, по их мнению, должны объяснить все, но наданный момент теория суперструн не дает ни одного конкретногопредсказания.
Идеи не запретишь, однако каждому исследователю хорошо бы иногда вспоминать знаменитую фразу Леонардо да Винчи:«Знания, не рожденные опытом, бесплодны и полны ошибок».Однако есть и очень интересные теории, в которые хочется верить.Здесь мы упомянем только одну – суперсимметрия (SUSY). В существующих теориях возникают расходимости при вычислении петлевыхпоправок, которые автоматически устраняются, если предположить,что у каждого фермиона (бозона) со спином 1/2 (1) есть партнер соспином 0 (1/2).
Из того, что их пока не обнаружили, следует, что онидостаточно тяжелые. Большинство вариантов теории суперсимметриипредсказывают массы таких частиц в районе нескольких сот ГэВ, т. е.265как раз в области, покрываемой коллайдерами LHC и ILC. Такие частицы являются основными кандидатами на роль темной материи воВселенной (см. ниже в этой главе). Это может быть самая легкая стабильная суперсимметричная частица, очень слабо взаимодействующаяс веществом.
Однако после нескольких лет работы на LHC таких частиц с массами менее примерно 1 000 ГэВ не было найдено. Шанс найтиих на LHC пока остается. Если повезет, то вскоре может быть открытновый класс частиц, которых во Вселенной даже больше, чем обычнойматерии. Это может быть сделано как на LHC, так и путем прямой регистрации частиц темной материи. Об этом мы скоро узнаем.Загадочные нейтриноВсе, конечно, слышали про нейтрино, они очень легкие и трудноуловимые.
Всего их три типа: электронное, мюонное и тау нейтрино(ne , n m , n t ) . Они являются партнерами заряженных лептонов e, m, t ,(табл. 6). Про них уже достаточно много известно, их умеют рождать ирегистрировать. Многие их свойства хорошо описываются Стандартной моделью. Однако недавно в области нейтрино сделаны открытия,выходящие за рамки Стандартной модели, точнее требующие ее переделки со старой Стандартной модели в новую Стандартную модель.Проблема с солнечными нейтрино была замечена более 30-ти летназад. Как известно, на Солнце происходят термоядерные реакции, прикоторых рождается много нейтрино. Их поток на Землю составляет более 1011 шт./см 2 /с. Солнечные нейтрино регистрировали несколькимиметодами (хлор-аргонный, водно-черенковский, галлиевый) с различными порогами по энергии, однако каждый раз их было меньше ожидаемого потока в два-три раза.
Сначала дефицит списывали на неточность Солнечной модели, но после регистрации солнечных нейтрино спомощью специально прокалиброванного галлиевого детектора с низким порогом, захватывающим все основные реакции на Солнце, проблема стала очень серьезной.Тем временем в Японии на подземном детекторе Super-Kamiokande,представляющем собой бак с 50 000 м3 воды, в котором черенковскоеизлучение частиц регистрировалось 13 000 фотоумножителями полуметрового диаметра, в конце прошлого века заметили интересный инеожиданный эффект (точнее сначала заметили на его меньшем предшественнике – Kamiokande). В атмосфере рождаются мюонные и электронные нейтрино в результате каскадных распадов пионов и мюонов,образованных космическими частицами (в основном протонами).
При266этом ожидаемое число мюонных нейтрино должно быть вдвое больше,чем электронных. Фактически же оказалось, что для нейтрино, летящих сверху, это отношение, действительно, равно двум, а для летящихснизу через Землю их примерно поровну. Вероятность потеряться приэтом за счет взаимодействия с Землей очень маленькая. Так были открыты нейтринные осцилляции, которые обсуждались, но предсказатьих конкретное проявление было невозможно из-за незнания масс нейтрино и углов смешивания.Суть явления заключается в следующем. Нейтрино ne , n m , n t , которые рождаются в различных реакциях, – это состояния, как говорят, сопределенным ароматом (в данном случае лептонным числом).
Каждаяиз этих частиц может быть квантово-механической суперпозициейтрех нейтрино с определенными массами (связанные осцилляторы).При движении в вакууме такого пакета каждое такое нейтрино осциллирует со своей частотой, зависящей от ее массы. В результате составчастиц в пакете меняется, и если вначале было только мюонное нейтрино, то затем это будет смесь всех типов нейтрино. Характернаядлина таких осцилляций l = 4pE / (m j2 - mi2 )c 3 . В эксперименте сатмосферными нейтрино частицы, летящие сверху, долетали до детектора без изменений, а прошедшие через Землю имели достаточныйпуть, чтобы проосциллировать в другой тип нейтрино. В данном случае часть мюонных нейтрино превратилось в тау-нейтрино, которые вэксперименте не регистрировались.Загадка солнечных нейтрино разрешилась в 2002 г.
До этого детекторы солнечных нейтрино были рассчитаны на регистрацию электронных нейтрино, других на Солнце и не образуется (водно-черенковскиедетекторы регистрировали и другие типы нейтрино, но с малой эффективностью). Новый детектор, SNO (Sudbury Neutrino Observatory), состоящий из 1 000 т тяжелой воды (D2O) (дали на время из стратегического запаса Канады), имел возможность регистрировать нейтриновсех типов.
Принцип состоял в следующем. Ядро дейтерия состоит изпротона и нейтрона. Возможны два типа реакций нейтрино на дейтроне: а) электронное нейтрино путем испускания W-бозона превращаетнейтрон в протон, а само переходит в электрон, который регистрируется по черенковскому свету; б) нейтрино любого типа путем обменаZ-бозоном расщепляет дейтрон на протон и нейтрон (оставаясь нейтрино), где нейтрон затем регистрируется путем регистрации гамма-квантов, испускаемых при его захвате ядром дейтерия, или специ267ально добавленной для усиления эффекта поваренной соли (NaCl). Результат оказался следующим: число событий реакции а, чувствительной только к электронным нейтрино, оказалось равным примерно 35 %от ожидаемого потока солнечных нейтрино, в то время как число событий реакции б, чувствительной ко всем типам нейтрино, с хорошейточностью совпало с ожидаемым потоком.
Таким образом, Солнцепроизводит ожидаемое количество электронных нейтрино, но по путик Земле 2/3 из них превращаются в другие типы нейтрино!Эксперименты с детекторами Super-Kamiokande и SNO открыли новую страницу в физике нейтрино. Вскоре результаты по осцилляцияммюонных нейтрино были подтверждены и уточнены на ускорителях вЯпонии и США, где стреляли пучками мюонных нейтрино по большимподземным детекторам, находящимся за сотни километров. Исчезновение по дороге электронных нейтрино было проверено в Японии нареакторных нейтрино. Сейчас развертывается широкая программа поизучению свойств нейтрино, получаемых на ускорителях. Точное измерение всех особенностей по взаимопревращению нейтрино (массы,углы смешивания и др.) так же важно, как и все, что было открыто иизучено с кварками. Тут нас ждет еще много неожиданностей.Как было отмечено ранее, реальные нейтрино – это суперпозициятрех нейтрино с определенными массами m1, m2 , m 3 .
На данный момент изучение длин осцилляций дает следующие значения разницыквадратов масс:m22 - m12 = (8, 0 0, 5)10-5 эВ 2 ; m 32 - m22 = (2 - 3)10-3 эВ 2 . (103.1)Сами значения масс нейтрино пока не известны, но видно, что они лежат в районе сотых долей электрон-вольты, т. е.
нейтрино в сотнимиллионов раз легче электрона.§ 104. ВселеннаяИз всего многообразия интересных явлений, наблюдаемых в космосе, обсудим только главные открытия последних лет, которые стали вфизике проблемой номер один. Эти открытия можно кратко сформулировать так: измерена средняя плотность Вселенной, при этом оказалось, что все известные формы материи (о которых шла речь выше)составляют только около 5 %! Еще 25 % – это некие неизвестные частицы (темная материя), которые, как и обычная материя, собираются вскоплениях, и остальные 70 % от всей плотности составляет какая-тосубстанция (темная энергия, а может, физический вакуум), которая об268ладает антигравитационными свойствами и ускоряет расширение Вселенной.Потрясает воображение, не так ли! Вся наука до сих пор была сосредоточена на изучении только 5 % состава Вселенной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
