Физика элементарных частиц и t-кварк (стр. 2 из 3)

Рис. 1. Кварки, лептоны и калибровочные бозоны. Все частицы Стандартной модели, исключая бозон Хиггса. Кварки и лептоны разбиты на три поколения, соответствующие первым трем столбцам на рисунке. Именно так фундаментальные фермионы входят в лагранжиан Стандартной модели.

Особняком в мире фундаментальных частиц стоит бозон Хиггса. Эта частица, по современным теоретическим представлениям, необходима для генерации масс всех кварков, лептонов и трех калибровочных бозонов

. В некоторых теориях присутствует не одна частица Хиггса, а несколько. В простейшем же случае имеется один электрически нейтральный бозон Хиггса. Бозоны Хиггса экспериментально не обнаружены. Возможно, их вообще не существует в природе. По крайней мере, после неудачных поисков бозона Хиггса на электрон-позитронном коллайдере LEP, подобная гипотеза приобретает все большее и большее число сторонников. Есть надежда, что с вводом в строй коллайдеров нового поколения, таких как протон-протонный коллайдер LHC в CERNе или электрон-позитронный линейный коллайдер TESLA в DESY, бозон Хиггса будет экспериментально открыт или станет понятно, почему он не может существовать. Только надо подождать порядка десяти лет. Есть определенная вероятность, что хиггсовскую частицу смогут открыть на действующем протон-антипротонном коллайдере Tevatron во FNAL-е в ближайшие два-три года.

Таков на сегодняшний день полный набор самых элементарных составляющих нашего мира. Может ли он пополниться? Весьма вероятно. Главным кандидатом является пока еще не открытый бозон Хиггса. Далее, если в природе реализован любой из вариантов объединения трех фундаментальных взаимодействий, то обязаны возникнуть новые фундаментальные калибровочные бозоны. Если же в природе имеется суперсимметрия, то число фундаментальных частиц как минимум удваивается - каждому лептону, кварку и калибровочному бозону необходимо поставить в соответствие частицу-суперпартнера. Отметим, что открытие гипотетической "пятой силы" может пополнить список фундаментальных калибровочных бозонов.

Уверены ли физики, что известный в настоящее время уровень материи наиболее фундаментален, а кварки, лептоны и калибровочные бозоны не являются составными? Нет, не уверены. Существуют теоретические модели, в которых вводятся еще более фундаментальные и элементарные структуры. Например, лептокварки, суперструны или браны. Но ни одна из этих моделей не имеет экспериментального подтверждения. Во всяком случае, в настоящее время не имеет.

Все сказанное выше у неискушенного читателя может вызвать вопрос: "А чего сложного то? Шесть лептонов, шесть кварков, двенадцать (восемь глюонов, фотон,

) калибровочных бозонов. Этакую малость изучают более сотни лет многие тысячи людей. Не бесплатно изучают. Современные эксперименты над элементарными частицами обходятся в десятки миллионов долларов ежегодно... каждый. В чем подвох?". Никакого подвоха нет. Дело в том, что при изучении мира элементарных частиц человеку не помогут ни зрение, ни слух, ни обоняние, ни осязание. С другой стороны, любопытствующий человек может исследовать микромир только при помощи макроскопических приборов. Наша физиология не оставляет иного выбора. Но что значит, исследовать микромир при помощи макроприборов? Если призвать на помощь аналогию, то это примерно тоже самое, что играть на бильярде при помощи карьерных экскаваторов. Пока сделаешь один удачный удар, раздавишь несметное число шаров и поломаешь огромное число столов! Современные ускорители и современные детекторы - это "карьерные экскаваторы микроскопического бильярда". Они перелопачивают миллионы событий, закодированных в сотнях миллионов сигналов измерительной аппаратуры, с целью найти всего пять или десять событий, способных дать новую информацию о взаимодействиях элементарных частиц.

Возможно, что аналогия, приведенная в предыдущем абзаце, у склонного к философствованию человека породит еще целый ряд "острых" вопросов к физикам-элементарщикам. Например, а почему физики вообще уверены в реальности существования фундаментальных частиц, в реальности их удивительных квантовых свойств? Вдруг это всего лишь плод нашей фантазии или следствие грубости тех приборов, которыми ученые пытаются изучать столь тонкие вещи как микрочастицы? Более того, возможно физики вообще неправильно понимают микромир и в результате подобного неправильного понимания возникла квантовая теория с ее математическим аппаратом и интерпретациями?

Подобные вопросы ставились перед квантовой механикой и квантовой теорией поля с момента создания. Дать исчерпывающий и окончательный ответ на них не удалось до сих пор. Но часть ответов найдена. Начнем с обсуждения грубости макроскопических приборов. В 30-х годах XX-го века Альберт Эйнштейн предположил, что на самом деле происхождение квантовомеханической вероятности может быть аналогично происхождению вероятности в классической статфизике. Напомним, что в классике вероятностное описание возникает из-за того, что мы в силу некоторых причин отказываемся от полной информации о системе, даваемой точными уравнениями движения, и переходим к распределениям (вероятностей) по неизвестным нам величинам. Эйнштейн предположил, что все микрочастицы в дополнение к их известным характеристикам (массе, спину, зарядам, четностям) обладают набором характеристик, не доступных для измерения любым макроприбором, например, в силу грубости последнего. Эти характеристики назвали скрытыми параметрами квантовой теории. Таким образом, если бы физики могли измерить скрытые параметры, то можно было бы предсказать результат любого взаимодействия в микромире не вероятностным, а абсолютно детерминистичным образом. Более 30-ти лет считалось, что теорию скрытых параметров не возможно ни подтвердить, ни опровергнуть экспериментально. Действительно, как можно измерить то, что нельзя измерить по определению?

Но в 1965 году Дж.Белл отыскал такой способ! Оказалось, что существует целый ряд экспериментальных ситуаций, в которых для определенных линейных комбинаций измеряемых на опыте величин все теории со скрытыми параметрами предсказывают результат, меньший, чем квантовая механика. При этом на возможные скрытые параметры как микрочастицы, так и макроприбора накладывается лишь требование локальности, т.е. совместимости с теорией относительности. Эти линейные комбинации, носящие название неравенств Белла, измерены в нескольких опытах с фотонами и протонами. Результаты опытов полностью совпали с предсказаниями квантовой механики. Исключить нелокальные скрытые параметры экспериментально не возможно. Но, с точки зрения теории, их существование противоречит теории относительности, правильность основных выводов которой подтверждена в сотнях экспериментов на ускорителях, в космических лучах и в атомной промышленности. То есть, любым ниспровергателям сугубо вероятностной квантовой механики придется "в качестве дополнительного упражнения" переформулировать соответствующим образом теорию относительности.