«Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2008 № 01 (20) - Журнал «Наука и Техника» (НиТ)

В 1914 году английский физик Джеймс Чедвик обнаружил, что электроны, испускаемые при Р-распаде атомных ядер, имеют непрерывный энергетический спектр. Другими словами, при измерении энергии электронов, родившихся в разных распадах, каждый раз получался разный результат. Суть р-распада состоит в том, что атомные ядра самопроизвольно испускают отрицательные электроны (е), при этом нейтрон превращается в протон и заряд ядра увеличивается на единицу: Z — > (Z+1) + е.

Предполагая, что распадающееся ядро находится в покое (то есть имеет нулевой импульс), и исходя из законов сохранения импульса и энергии, можно было ожидать, что образовавшееся при распаде ядро и электрон всегда вылетают в диаметрально противоположных направлениях с равным абсолютным значением импульса. Следовательно, энергия электрона всегда одна и та же. Эксперимент же показывал другое. Радикально мыслящий Нильс Бор предположил, что в p-распаде не соблюдается закон сохранения энергии. Более осторожный Паули предложил гипотезу, в соответствии с которой вместе с электроном из ядра вылетает еще одна частица, уносящая часть энергии. Экспериментаторы не видят ее, поскольку она электрически нейтральна и очень слабо взаимодействует с веществом. Ее-то и окрестили нейтрино v.

Закон сохранения энергии оказался спасенным, но взамен пришлось мириться с существованием гипотетической слабовзаимодействующей частицы, которую никто не надеялся обнаружить экспериментально. Однако уже через 26 лет предположение Паули подтвердилось. В экспериментах на атомных реакторах, проведенных в 1953–1956 годах, группа американского физика Фредерика Рейнеса надежно зарегистрировала нейтрино.

Вселенная наполнена нейтрино. На каждый нуклон их приходится около миллиарда. Вероятность взаимодействия с веществом для них чрезвычайно мала — почти все нейтрино, рожденные в центре Солнца, проходят до его поверхности и затем сквозь Землю, не испытывая взаимодействия. Поэтому эксперименты по обнаружению нейтрино очень сложны.

С одной стороны, нейтрино почти не определяют свойств нашего мира. С другой стороны, именно эти частицы несут информацию, которую другим путем получить невозможно. Протоны электрически заряжены, траекторию их полета искривляют галактические и межгалактические магнитные поля; в результате невозможно определить объект, в котором они были ускорены. Нейтроны в свободном состоянии подвержены распаду и «не доживают» до Земли, если рождены в удаленных объектах. Хотя у-кванты стабильны и нейтральны, их поглощает межзвездная среда. Только стабильные, электрически нейтральные и слабовзаимодействующие нейтрино проходят расстояния в миллиарды световых лет или пробиваются из ядра Солнца, не изменяя своих свойств и храня информацию о физических условиях, в которых они образовались. Загадка происхождения космических лучей сверхвысоких энергий, подтверждение модели взрыва сверхновых звезд, изучение механизма термоядерного горения в ядре Солнца — эти и многие другие физические проблемы решены или решаются именно посредством детектирования нейтрино в сложнейших экспериментах. Рассказ об этих экспериментах и о том, что физики узнали и еще надеются узнать с их помощью, — в следующих статьях нашего цикла.

Другие известные частицы

Как мы уже говорили, помимо стабильных частиц есть короткоживущие, время жизни которых — от 10-22 до 10-6 секунды: мюоны, τ-лептоны, π-мезоны, К-мезоны, Ω- и ρ-гипероны и многие другие. Они рождаются в столкновениях стабильных частиц — например, в столкновениях протонов космических лучей с атомами земной атмосферы — и распадаются на другие стабильные частицы. Изучение коротко-живущих частиц привело ко многим серьезным открытиям, но существенной роли в жизни нашего мира они не играют именно в силу своей нестабильности.

На самом деле далеко не все элементарные частицы действительно элементарны. Есть элементарные лептоны (электрон е, электронное нейтрино ve, мюон μ, мюонное нейтрино, τ-лептон τ и τ-нейтрино vτ со своими античастицами) и шесть элементарных кварков (плюс шесть антикварков): верхний и, нижний d, странный s, очарованный с, прекрасный b и правдивый t. Кварки, соединяясь по два или по три, образуют все остальные частицы, кроме лептонов, переносчиков взаимодействий — фотонов, W- и Z-бозонов (ответственных за слабое взаимодействие, которое приводит, например, к обсуждавшемуся уже здесь β-распаду ядер), глюонов (соединяющих кварки за счет сильного взаимодействия) и гравитонов (не открытых пока экспериментально частиц, ответственных за гравитацию) — и некоторых других частиц (о них чуть ниже). Например, комбинация uud соответствует протону, a ddu — нейтрону. Кварки, естественно, никто не видел в свободном состоянии из-за конфайнмента, то есть удержания (считается, что по мере удаления кварков друг от друга связывающая их сила не убывает, а возрастает, и поэтому их невозможно оторвать друг от друга). Но эксперименты по рассеянию электронов на нуклонах ясно показывают наличие трех рассеивающих центров — партонов, которые и есть кварки.

Основная задача современной физики — поиск простых законов, способных объединить все четыре известных взаимодействия в одно-единственное, проявляющееся в разных формах. При этом лептоны, кварки и переносчики взаимодействий описывались бы теорией как разные состояния одних и тех же частиц. Фундаментальным понятием в таких теориях объединения выступают различные формы симметрии. Этот путь, начатый в середине XIX века Джеймсом Максвеллом, который объединил магнитное и электрическое взаимодействия, пока далеко не пройден и требует еще многих усилий как теоретиков, так и экспериментаторов.

Симметрия в самом общем виде — это неизменность свойств системы при каком-либо ее преобразовании. Простейшая геометрическая симметрия известна из школьного курса. Например, круг не меняется как при зеркальном отражении относительно оси, проходящей по его диаметру (зеркальная симметрия) или при повороте вокруг центра на любой угол (поворотная симметрия). Пример более сложной симметрии — почти полная независимость уравнений электродинамики относительно замены электрического поля на магнитное, и наоборот. Поиском таких (и еще более сложных) симметрий и занята современная физика в попытках построить единую теорию взаимодействий.

Неоткрытые частицы: магнитные монополи и бозоны Хиггса

Физическая теория предсказывает несколько частиц, которые до сих пор не открыты, но физики продолжают верить в их существование, поскольку оно следует из теорий, более или менее точно предсказывающих наблюдаемые факты. W- и Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия — долгое время также были гипотетическими частицами, но в 1983 году их экспериментально обнаружила группа Карло Руббиана на ускорителе в Европейском центре ядерных исследований. Причем с теми в точности свойствами (включая массу), какие предсказывала теория! Здесь мы расскажем о двух частицах: магнитном монополе и бозоне Хиггса, хотя на самом деле гипотетических частиц, предсказанных «на кончике пера», но пока не открытых, гораздо больше.

Итак, магнитный монополь. Электрические и магнитные силы известны с глубокой древности. В начале XIX века между ними была обнаружена глубокая связь. Ханс Кристиан Эрстед открыл, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, а Майкл Фарадей показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. В 60-е