Кванты слабого взаимодействия (W, Z-бозоны). Просто о сложном: бозоны, фермионы, кварки и другие элементарные составляющие Вселенной Ньютон III: Динамическая красота

Существует четыре основных канала рождения хиггсовского бозона в столкновении партонов из двух встречных протонов:

• Рождение в слиянии глюонов : gg → H . В ультрарелятивистском протоне глюоны (с нужной кинематикой) преобладают над остальными партонами, поэтому это доминирующий канал рождения. Этот процесс оказался довольно трудным для расчета потому, что поправки высокого порядка оказались не малы , однако после нескольких лет работы они вычислены с хорошей точностью.
• Рождение в слиянии векторных бозонов WW → H или ZZ → H . Виртуальные векторные бозоны, излучаемые и поглощаемые кварками, можно тоже рассматривать как партоны, которых, правда, в протоне чрезвычайно мало. Тем не менее они очень сильно (гораздо сильнее, чем сами кварки) связаны с хиггсовским бозоном, поэтому сечение этого процесса всего в несколько раз меньше, чем слияние глюонов.
• Ассоциативное рождение вместе с W- или Z-бозоном . Этот процесс часто называют также Higgsstrahlung («тормозное излучение бозона Хиггса» - по аналогии с bremsstrahlung , тормозным излучением фотонов).
• Ассоциативное рождение вместе с топ-кварками . Этот процесс можно представить себе как рождение двух топ-кварк–антикварковых пар, причем кварк и антикварк из разных пар затем сливаются, порождая хиггсовский бозон. Сечение этого процесса еще меньше, но он обладает своей специфической сигнатурой (картиной распада в детекторе), которую можно использовать для поиска хиггсовского бозона.

Экология познания. Наука и открытия: Из-за обширной терминологии большинство популярных книг и статей по физике элементарных частиц не углубляются дальше самого факта существования кварков. Сложно что-либо обсуждать, если широкой аудитории не до конца понятны основные термины.

Из-за обширной терминологии большинство популярных книг и статей по физике элементарных частиц не углубляются дальше самого факта существования кварков. Сложно что-либо обсуждать, если широкой аудитории не до конца понятны основные термины.

Студент МФТИ и сотрудник лаборатории фундаментальных взаимодействий Владислав Лялин взял на себя функцию путеводителя в то, что называется Стандартной моделью, - главенствующую физическую теорию, объясняющую все известные науке частицы и их взаимодействие между собой, то есть устройство Вселенной на самом глубоком уровне.

Строение вещества

Итак, все состоит из молекул, а молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра и облаков электронов вокруг него, которые совершают куда более сложные движения, чем просто вращение. Ядро примерно в 10 тысяч раз меньше размера атома, хотя это и есть почти вся его масса, и состоит из протонов и нейтронов.

Как правило, на этом большинство школьных курсов физики заканчиваются, но на этом не заканчивается физика. В 50-х годах прошлого века ученые знали о существовании пяти частиц, которые они называли элементарными. Это были протон, нейтрон, электрон, фотон и электронное нейтрино. Уже через несколько десятков лет (с появлением первых коллайдеров) частиц, которые стоило бы причислить к элементарным, стало несколько десятков, и это число только росло.

Термин «элементарная частица» пришлось пересматривать - и заодно придумывать новую теорию, еще сильнее углубляться в строение вещества. Со временем была создана теория, названная Стандартной моделью, описывающая все известные взаимодействия (кроме гравитации).

Еще с древних времен материя и силы (взаимодействия) в физике были отделены. Эта идея присутствует и в Стандартной модели. Все элементарные частицы в ней делятся на «кирпичики материи» - фермионы и переносчики взаимодействия - бозоны. Эти классы частиц сильно отличаются друг от друга, одним из самых ярких отличий является отсутствие принципа запрета Паули у бозонов. Грубо говоря, в одной точке пространства может быть не более одного фермиона, но сколько угодно бозонов.

Бозоны

В Стандартной модели всего шесть элементарных бозонов. Фотон не обладает электрическим зарядом, он передает электромагнитное взаимодействие - то самое, которое связывает атомы в молекулы. Глюон передает сильное взаимодействие и обладает своим видом заряда (об этом еще будет сказано).

Именно сильное взаимодействие отвечает за ядерные силы, скрепляющие протоны и нейтроны в ядрах. W+, W- и Z0 означает, что бозоны заряжены соответственно положительно, отрицательно и нейтрально (не заряжены). Они отвечают за так называемое слабое взаимодействие, которое умеет превращать одни частицы в другие.

Самый простой пример слабого взаимодействия - распад нейтрона: один из кварков, составляющих нейтрон, излучает W-бозон и превращается в другой кварк, а W-бозон распадается на электрон и нейтрино.

Остается последний бозон - бозон Хиггса. Теоретически он был предсказан еще в 60-х годах прошлого века, но экспериментально его существование было доказано только в 2013 году. Он отвечает за инертную массу элементарных частиц - именно массу, ответственную за эффекты инерции, а не притяжения. Квантовой теории, которая связала бы и инерцию, и гравитацию, пока что нет.

Фермионы

Элементарных фермионов гораздо больше, чем элементарных бозонов. Их делят на два класса: лептоны и кварки. Они отличаются тем, что кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны - нет.

Лептоны

Лептоны бывают трех поколений, в каждом поколении два лептона - один заряженный и один нейтральный. Первое поколение: электрон и электронное нейтрино, второе - мюон и мюонное нейтрино, третье - тау-лептон и тау-нейтрино. Лептоны очень похожи друг на друга, мюоны и тау-лептоны(так же как и электроны) могут образовывать атомы, заменяя на орбиталях электроны.

Главное их отличие - в массе: мюон в 207 раз тяжелее электрона, а тау-лептон в 17 раз тяжелее мюона. С нейтрино должна быть похожая история, но их массы настолько малы, что до сих пор не измерены. Эти массы точно ненулевые, доказательство этого факта было отмечено Нобелевской премией в 2015 году. Мюон и тау-лептон нестабильны: время жизни мюона примерно 0,2 миллисекунды (что на самом деле довольно долго), тау-лептон распадается примерно в 17 раз быстрее.

Особенности нейтрино состоят в том, что они участвуют только в слабом взаимодействии, из-за этого их очень трудно засечь. Также они могут произвольно менять свой сорт: к примеру, электронное нейтрино может внезапно превратиться в мюонное, или наоборот. В отличие от бозонов, у лептонов существуют античастицы. Таким образом, всего лептонов не 6, а 12.

Кварки

В английском слово funny может иметь значения «забавный» и «странный». Вот кварки как раз и есть funny. Они забавно называются: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный. И они очень странно себя ведут. Существует три поколения кварков, по два кварка в каждом, и точно так же у них у всех существуют античастицы. Кварки участвуют как в электромагнитном и слабом взаимодействиях, так и в сильном.

Для заметки: фермионы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами; таким образом, адроны - это частицы, состоящие из кварков. Поэтому Большой адронный коллайдер, собственно, называется адронным: там сталкивают протоны или ядра атомов (адроны), но не электроны. Кварки любят образовываться в частицы из трех и двух кварков, но никогда не появляются по одному. В этом и заключается их странность. Частицы из трех кварков называют барионами, а из двух - мезонами.

Почему они так делают? Это происходит из-за особенностей сильного взаимодействия, которое удерживает кварки в адронах. Сильное взаимодействие очень интересно: вместо одного заряда, как в электромагнитном, у сильного их бывает три. И оказывается, что существуют только нейтральные частицы, а нейтральной частица может быть, только если в ней есть либо три разных заряда одного знака, либо два одинаковых заряда разного знака.

Из-за этой особенности (и для удобства) заряды начали называть красным, зеленым и синим, а соответствующие отрицательные заряды - антикрасным, антизеленым и антисиним. Получается, что если взять красный, зеленый и синий, мы получим белый, то есть нейтральный; если взять красный и антикрасный, мы тоже получим белый. Это легко запоминается, но стоит подчеркнуть, что это не имеет никакого отношения к цветам, к которым мы привыкли в жизни.

Это просто красивая и удобная аналогия со смешиванием. В Стандартной модели каждый кварк может быть любого из трех цветов, а антикварк - любого из трех «антицветов». Получается, что ни один из кварков не может быть непосредственно зарегистрирован, ведь свободно существовать могут только бесцветные частицы, а кварки «раскрашены». Эта особенность их поведения называется конфайнментом, что с английского дословно переводится как «заточение».

Конфайнмент

Хорошо - допустим, что кварки не могут существовать свободно. Но что если просто взять мезон, состоящий из двух кварков, и разорвать его на две части? Не получим ли мы два кварка? (На самом деле нет.) Представьте, что мезон очень сильно растягивают. В отличие от электромагнитного, сильное взаимодействие тем сильнее до определенного предела, чем взаимодействующие частицы дальше друг от друга.

Это похоже на пружину: чем сильнее ее растягивать, тем сильнее она будет сжиматься и тем больше у нее будет энергии. Чтобы сильнее стягивать кварки, сильное взаимодействие создает новые глюоны. И чем дальше мы их растягиваем, тем больше глюонов создается.

Но в какой-то момент энергия этих созданных глюонов становится настолько большой, что выгоднее становится создать новую пару кварк-антикварк, чем продолжать плодить глюоны. Много глюонов исчезает, вместо них появляются кварк и антикварк. В момент появления кварк-антикварковой пары из четырех кварков создаются два мезона, каждый из которых бесцветен.

Может показаться, что теория замкнута сама на себе и что кварков на самом деле не существует, а конфайнмент, по сути, костыль, который придумали только для того, чтобы прекратить поиски кварков; что это просто удобная модель, которая не имеет под собой физического обоснования. Долгое время в научных кругах ходила такая мысль.

Однако поздние теоретические исследования и недавние экспериментальные показывают, что при определенных условиях кварки могут покидать адроны. Более того, это состояние материи существовало практически сразу после большого взрыва, и только после сильного охлаждения кварки связались в адроны. Такое состояние материи сейчас исследуют на Большом адронном коллайдере в эксперименте ALICE. Для его получения нужна температура в два триллиона градусов. Это состояние материи называется кварк-глюонной плазмой.

Для понимания, что есть кварк-глюонная плазма, стоит провести аналогию. Представьте себе воду в невесомости. Она находится в жидком агрегатном состоянии, и из-за сил поверхностного натяжения она имеет вид шара - можно сказать, что она заточена в этот шар. Начнем повышать температуру. Когда она достигнет 100 градусов, вода начнет кипеть, активно испаряться и со временем полностью станет паром, у которого уже не будет силы поверхностного натяжения.

Явление превращения воды в пар называется фазовым переходом. Если продолжить нагревать пар, то примерно при 1 400 градусах молекулы воды разделятся на водород и кислород - сдиссоциируют, - и вода станет смесью кислородной и водородной плазм. Это еще один фазовый переход. Теперь возьмем газ - но не из молекул воды, а из адронов - и начнем его нагревать.

Придется нагревать весьма сильно, потому что для фазового перехода нужна температура примерно в два триллиона градусов. При такой температуре адроны как бы «диссоциируют» в свободные кварки и глюоны. Таким образом, адрон совершит фазовый переход в состояние кварк-глюонной плазмы. Это явление называется деконфайнментом, то есть процессом освобождения кварков из адронов.

В поисках теории всего

Последнего экспериментального подтверждения Стандартная модель ждала около 50 лет, но теперь бозон Хиггса найден - что дальше? Можно ли думать, что великие открытия закончились? Конечно, нет. Стандартная модель изначально не претендовала на звание теории всего (ведь она не включает в себя описание гравитации). Более того, в декабре прошлого года ATLAS и CMS в коллаборации опубликовали статьи о возможном обнаружении новой тяжелой частицы, не вписывающейся в Стандартную модель.

Это Вам будет интересно:

И физики не грустят, а, наоборот, рады, ведь сам Большой адронный коллайдер строили не для того, чтобы подтверждать уже известное, а чтобы открывать новое. И так же «новая физика» не говорит о том, что Стандартная модель будет вычеркнута и предана анафеме. Мы ученые, и если что-то точно работает (а Стандартная модель это доказала), то оно должно быть частным случаем любой новой теории, иначе новая теория будет противоречить старым экспериментам.

Для примера: механика Ньютона является прекрасной моделью для описания движения с низкими (значительно меньше скорости света) скоростями - несмотря на то, что сейчас мы знаем специальную теорию относительности. Точно так же, когда появятся новые модели (или модификации Стандартной), будут существовать условия, при которых будет верно то, что мы знаем сейчас. опубликовано

Элементарными частицами принято называть мельчайшие известные нам частицы материи. Термин «элементарные» в данном случае должен был бы означать «простейшие, далее не делимые». Частицы же, именуемые элементарными, не вполне соответствуют такому определению, и поэтому термин «элементарные» для них в известной мере условен.

Не существует также чёткого критерия, на основании которого известные нам частицы материи следовало бы относить к категории элементарных. Как правило, к ним относятся все мельчайшие частицы материи, за исключением атомных ядер с атомным номером до единицы включительно, то есть т.н. субъядерные микрообъекты.

В начале 30-х годов XX века, когда были известны только электрон, протон и γ-квант, имелись основания называть эти частицы элементарными, ведь тогда казалось, что из них и состоит вся наблюдаемая материя: ядра и атомы веществ, электромагнитное поле.

Открытия мюона (1936 г.), π-мезона (1947 г.), странных частиц (50-е годы XX в.), так называемых резонансов (т.е. нестабильных частиц) (60-е годы XX в.) существенно усложнило картину. Динамика открытий новых частиц впечатляет. Так, в 1972 году общее число известных стабильных и квазистабильных (т.е. достаточно долго живущих) элементарных частиц, включая античастицы, составляло 55, в 1980 - уже 200, в 1983 - около 300, в 1986 это число приближалось к 400, в настоящее время перечень элементарных частиц и их свойств The Book of the Review of Particle Physics (Обзор состояния физики элементарных частиц), регулярно публикуемый международной организацией Particle Data Group , представляет собой собрание нескольких десятков документов общим объемом более 550 страниц! Несмотря на обилие теорий, порой альтернативных и противоречащих друг другу, в настоящее время сложилась общепринятая теория наиболее общих типов элементарных частиц и их взаимодействий, которая называется стандартной моделью . Стандартная модель с большой точностью подтверждается многочисленными экспериментами, а все предсказанные ею элементарные частицы уже найдены. Однако она не является универсальной Теорией Всего Сущего, поскольку не объясняет все фундаментальные явления и типы взаимодействий, например гравитация не учитывается стандартной моделью.

Большинство элементарных частиц нестабильно. Так, время жизни заряженных π-мезонов (читается: Пи-мезон) составляет 2,56·10 -8 сек, нейтральных π-мезонов - 1,8·10 -6 сек, они постепенно превращаются в более лёгкие элементарные частицы. Таким образом, требование неразложимости элементарных частиц нарушается. В то же время, неверно было бы считать, что они состоят из продуктов своего же распада, кроме того, одна и та же элементарная частица может распадаться на различные элементарные частицы. Термин «элементарная частица» применительно к известным частицам материи потерял свой простой наглядный смысл. Этот термин в определённом смысле повторил историю слова «атом», которое в переводе с греческого означает «неделимый».

Согласно теории стандартной модели существует два основных вида элементарных частиц: фермионы и бозоны. Фермионы являются элементарными «кирпичиками» окружающего нас вещества, а бозоны - переносчиками взаимодействия между «кирпичиками» - фермионами.

Фундаментальные (калибровочные) бозоны Взаимодействие частиц, имеющих электрический заряд, происходит путём обмена квантами электромагнитного поля - фотонами. Фотон электрически нейтрален. Сильное взаимодействие осуществляется за счёт обмена глюонами (g ) - электрически нейтральными безмассовыми переносчиками сильного взаимодействия. Глюоны переносят цветовой заряд (смотри ниже). В слабом взаимодействии принимают участие все и все . Переносчиками слабого взаимодействия являются массивные W - и Z - бозоны. Существуют положительные W + - бозоны и отрицательные W - - бозоны, являющиеся античастицами по отношению друг к другу. Z - бозон электрически нейтрален.

Фермионы делятся на кварки и лептоны , которые взаимодействуют друг с другом с помощью двух типов взаимодействия: сильного и электрослабого. В слабом взаимодействии принимают участие все лептоны и все кварки. Существуют положительные W + - бозоны и отрицательные W - - бозоны, являющиеся античастицами по отношению друг к другу, Z - бозон электрически нейтрален.
кварки участвуют также в сильном взаимодействии за счёт обмена одним из типов бозонов, которые называются глюонами, глюоны электрически нейтральны и безмассовы, переносят цветовой заряд (см. далее абзац "кварки" );
лептоны участвуют в электрослабом взаимодействии за счёт обмена другими типами бозонов: W + - бозона, W - - бозона и Z - бозона.

Следует отметить, что фермионом или бозоном может быть не только элементарная частица, но и ядро атома, в зависимости от нечетности или четности общего числа его протонов и нейтронов соответственно. Совсем недавно физики открыли странное поведение некоторых атомов в необычных условиях, например, сверхохлажденного гелия.

Свойства фермионов (массы указаны в условных единицах относительно массы электрона), фактически в физике массы элементарных частиц при расчетах принято указывать в эквивалентной энергии, (Мэв). см. *)
Лептоны			Кварки
Аромат	Масса	Заряд	Аромат	Масса	Заряд
v e	(0+254)х10 -9
e -
v µ	(18+254)х10 -9
v τ	(78-274)х10 -9			338561

*) Поскольку массы элементарных частиц чрезвычайно малы (масса электрона m e =9,1·10 -28 г), пользуются системой единиц, в которой масса и энергия имеют одинаковую размерность и выражаются в электронвольтах (эВ) и производных единицах (МэВ, ГэВ и т.д.). Массы известных элементарных частиц изменяются от нуля (фотон) до 176 ГэВ (t - кварк); для сравнения: масса электрона m e =0,511 Мэв, а масса протона m p =938,2 Мэв.