М. Нікітін
Дане вступне слово розраховане на неспеціалістів. У ньому коротко обрісоввиваются контури сучасної фізики високих енергій і даються відповіді на деякі поширені питання, що виникають у любителів науки при першому знайомстві з квантовою теорією. Підготовлений читач може пропустити вступне слово і відразу перейти до читання статті Дональда Перкінса "Відкриття t-кварка". А читач, знайомий з методами квантової теорії поля, здатний зрозуміти і не тільки все написане Д. Перкінс, але й додаткові обчислення, наведені в розділі "Коментарі перекладача".
Історія дослідження елементарних частинок і фундаментальних взаємодій налічує більше двох з половиною тисяч років і сходить до ідей давньогрецьких натурфілософів про будову Світу. Проте серйозна наукова розробка даного питання почалася лише в кінці XIX-го століття. У 1897 році видатний англійський фізик-експериментатор Дж.Дж.Томсона визначив відношення заряду електрона до його маси. Тим самим, електрон остаточно набув статусу реального фізичного об'єкта і став першою відомою елементарною частинкою в історії людства.
За сто з невеликим років фізики провели тисячі складних і точних експериментів, покликаних відшукати інші елементарні частинки і виявити фундаментальні взаємодії між ними. Результати експериментів пояснювалися серією послідовно змінювали один одного теорій. Остання в їхньому ряду - Стандартна модель взаємодії елементарних частинок (СМ), що включає в себе мінімальну модель електрослабкої взаємодії Глешоу-Вайнберга-Салама і квантової хромодинаміки (КХД). Можна сказати, що на сьогоднішній день саме СМ є реальним підсумком багаторічної роботи сотень тисяч людей від "високочолих" теоретиків до простих інженерів і лаборантів. Схему СМ можна укласти в кілька абзаців.
На сьогоднішній день вважається, що у Світі існують три фундаментальні взаємодії. Це гравітаційне, електрослабкої і сильне. При енергіях багато менших, ніж приблизно 90 ГеВ (1 ГеВ, тобто 1 гігаелектронвольт = 109 електронвольт), електрослабкої взаємодія "розщеплюється" на два: добре всім знайоме електромагнітне і проявляється тільки у світі елементарних частинок слабка взаємодія. Зауважимо, що сильна взаємодія, аналогічно слабкому, проявляється тільки у мікросвіті. Це пов'язано з тим, що слабку і сильну взаємодії володіють кінцевими і дуже малими радіусами дії порядку 10-16см і 10-13см, відповідно. Радіуси дії гравітаційного та електромагнітного взаємодій - нескінченні, а тому гравітація і електромагнетизм проявляють себе на макроскопічному рівні. Однак у мікросвіті у всьому діапазоні енергій, доступних для експериментального вивчення, гравітація слабка і нею можна знехтувати.
Поява електрослабкої взаємодії не повинно дивувати читачів. Протягом усієї своєї історії фізика рухається в напрямку об'єднання взаємодій. Ньютон - перший, хто пішов шляхом відшукання універсальних фундаментальний фізичних законів. Закон всесвітнього тяжіння вперше продемонстрував, що два вважалися раннє принципово різними руху: рух планет по небу і рух тіл під дією сили тяжіння на поверхні Землі потрібно розглядати з єдиних позицій. Приблизно через 150 років Д. К. Максвелл показав, що електричні і магнітні явища суть дві сторони універсального електромагнітної взаємодії. Фізики XX-го століття, серед яких особливо варто виділити Ш. Глешоу, С. Вайнберга, А. Салама і К. Руббіа, теоретично і експериментально довели, що взаємодії настільки різної природи як слабке і електромагнітне насправді при досить високих енергіях мають єдину основу. Будь-яка теоретична схема об'єднання взаємодій привносить у фізику нові концепції і тягне нетривіальні експериментальні передбачення. Саме підтвердження останніх у численних дослідах веде до визнання тієї чи іншої "об'єднавчої теорії".
Чи можливо, що з підвищенням максимально досяжних енергій прискорювачів елементарних частинок вчені виявлять, що залишилися три взаємодії зводяться до меншого числа ще більш фундаментальних взаємодій? Теоретики абсолюно впевнені в позитивній відповіді на дане питання. Запропоновано цілий ряд сценаріїв подібного об'єднання (наприклад, теорії великого об'єднання і суперсиметрій теорії). Однак поки немає ясності, на якому масшабов енергій досягається нова стадія об'єднання і чи буде доступний цей масштаб для експеріменальной перевірки в XXI-му столітті. Може виникнути інше питання, а не відкриють чи фізики нове фундаментальна взаємодія, принципово відмінне від всіх перерахованих вище? З одного боку, зксперіменти з виявлення так званої "п'ятої сили" (якщо чотирма добре встановленими вважати гравітаційні, електромагнітні, сильні та слабкі сили) ставляться постійно, але поки жоден з них не привів до позитивного результату. З іншого боку - ніхто не довів, що "п'ята сила" принципово не може існувати в природі.
На мікроскопічному рівні всі фундаменальние взаємодія передається за допомогою посередників - полів калібрувальних бозонів. Бозони - тому, що асоційовані з розглянутими полями частки підкоряються статистиці Бозе-Ейнштейна, тобто мають цілий спін. Переносник електромагнетизму - фотон () - має спін рівний одиниці. Переносники слабкої взаємодії електрично нейтральний - бозон і електрично заряджені - бозони, а також переносники сильної взаємодії () - глюони, аналогічно фотону мають спін, рівний одиниці. Ці частинки відкриті експериментально, їх властивості добре вивчені. Вважається, що переносник гравітаційної взаємодії - гравітон - має спін, рівний двом. Гравітон до цих пір не виявлено і, швидше за все, не буде виявлений ще дуже довго. Слово "калібрувальний" вказує на теоретичний прийом, використовуючи який, переносники фундаментальних взаємодій вводяться в теорію. Навіть якісне обговорення даного прийому далеко виходить за рамки передмови.
Читача не повинен бентежити і той факт, що фізики постійно говорять про поля і частинках як про щось взаємозамінними, більше того, еквівалентному. Дійсно, у класичних теоріях частинки і поля суть зовсім різні фізичні об'єкти. Наприклад, електромагнітне поле і альфа-частинки. У квантовій теорії обидва поняття одержують природне узагальнення, що сходить до принципу корпускулярно-хвильового дуалізму Луї де Бройля. Будь-яка мікрочастинка описується хвильовою функцією (або полем), яка, у свою чергу, (знову) квантуется в термінах операторів народження і знищення квантів цього поля, тобто в термінах народження і знищення часток. Одним з перших подібний підхід у 20-х роках XX-го століття був запропонований вітчизняним фізиком-теоретиком В. А. Фоком.
У багатьох студентів молодших курсів і у "розсудливих" людей, які не мають справи з мікросвітом, виникає природне нерозуміння, як це може бути, що одна і таж мікрочастинка в деяких експериментальних ситуаціях поводиться подібно хвилі, а в деяких - подібно частці? Підсвідомо хочеться мати якусь наочну картинку настільки дивної поведінки. Спробуємо намалювати один з можливих варіантів такої картинки.
Припустимо, що жителі площині хочуть описати результати досліджень тривимірного куба, половина граней якого - зелені, а половина - червоні. У плоских вчених в наявності є лише двовимірні прилади, а в якості понятійного апарату використовується двовимірна геометрія Евкліда. Куб в даному прикладі грає роль наочного образу мікрочастинки. Куб не зелений, не червоний і не плоский. Він цілісний тривимірний об'єкт з шістьма гранями різного кольору. Як же можуть собі уявити куб двовимірні вчені? На їхню думку, досліджуваний об'єкт є сукупність квадратів, що мають те дивну властивість, що в залежності від постановки експерименту квадрат стає те червоним, то зеленим, але ніколи не червоно-зеленим або зелено-червоним. На основі своїх експериментів плоскі вчені можуть створити "квантову механіку" тривимірного кольорового куба, яка в якості істотного елементу буде спиратися на принцип "червоно-зеленого дуалізму". Взаємодія куба з площиною двовимірні вчені цілком можуть описувати за допомогою "хвильової функції куба", яка редукується після взаємодії або до зеленого, або до червоного квадрату. Переходячи від кубів і площин до реальних микрочастицам, можна сказати, що будь-яка мікрочастинка володіє цілісним властивістю "мікрочастічності", для опису якого ми - мешканці суто макроскопічного світу - змушені якимось несуперечливим чином маніпулювати виключно макроскопічними поняттям (інших не маємо і не сприймаємо!) Щільності ймовірності, крайніми проявами якого в координатному представленні є макроскопічні поняття хвилі і корпускули. Очевидно, що представлена наочна картинка страждає поруч дефектів. Пропоную читачам самостійно придумати більш коректний приклад.
Крім калібрувальних бозонів існує цілий набір фундаментальних ферміонів, які на сьогоднішній день вважаються елементарними. Це припущення не суперечить сукупності всіх експериментальних даних. Фундаментальні ферміони мають напівцілий спін, рівний однієї другої, і діляться на дві групи. До першої групи належать лептони. Ці частки не беруть участь у сильній взаємодії. Лептона є електрон (), мюон (), тау-лептон () і відповідні їм нейтрино трьох типів: електронне нейтрино (), мюонне нейтрино () і тау-лептонні нейтрино (). Не викликає сумнівів, що електрон, мюон і тау-лептон мають маси. Що стосується мас нейтрино, то тільки в 2001 році отримано певні докази їх існування на нейтрино обсерваторії Садбері (Канада). Другу групу фундаментальних ферміонів утворюють кварки. Вони беруть участь у всіх взаємодіях, включаючи сильне. Кварки перечеслени в порядку зростання їх маси. Рисунок1 у наочній формі представляє набір базових частинок Стандартної моделі. В даний час всі експериментально відкриті частинки, відмінні від лептонів і калібрувальних бозонів, складаються з кварків і глюонів. Ці складові частинки носять назву адронів. Найбільш відомі адрони - протон і нейтрон. Протон і нейтрон в рамках наївною кваркової моделі складаються з і 
Рис. 1. Кварки, лептони і калібрувальні бозони. Всі частинки Стандартної моделі, виключаючи бозон Хіггса. Кварки і лептони розбиті на три покоління, відповідні першим трьом стовпцях на малюнку. Саме так фундаментальні ферміони входять до лагранжіан Стандартної моделі.
Осібно в світі фундаментальних частинок варто бозон Хіггса. Ця частка, за сучасними теоретичними уявленнями, необхідна для генерації мас всіх кварків, лептонів і трьох калібрувальних бозонів, і. У деяких теоріях присутня не одна частинка Хіггса, а декілька. У найпростішому ж випадку є один електрично нейтральний бозон Хіггса. Бозони Хіггса експериментально не виявлені. Можливо, їх взагалі не існує в природі. Принаймні, після невдалих пошуків бозона Хіггса на електрон-позитронного коллайдера LEP, подібна гіпотеза набуває все більше і більше число прихильників. Є надія, що з введенням в дію коллайдеров нового покоління, таких як протон-протонний коллайдер LHC в CERNе або електрон-позитронний лінійний коллайдер TESLA в DESY, бозон Хіггса буде експериментально відкритий або стане зрозуміло, чому він не може існувати. Тільки треба почекати близько десяти років. Є певна ймовірність, що хіггсівський частку зможуть відкрити на діючому протон-антипротонному колайдері Tevatron під FNAL-е в найближчі два-три роки.
Такий на сьогоднішній день повний набір самих елементарних складових нашого світу. Чи може він поповнитися? Цілком можливо. Головним кандидатом є поки ще не відкритий бозон Хіггса. Далі, якщо в природі реалізований будь-який з варіантів об'єднання трьох фундаментальних взаємодій, то зобов'язані виникнути нові фундаментальні калібрувальні бозони. Якщо ж у природі є суперсиметрія, то число фундаментальних частинок як мінімум подвоюється - кожному лептону, кварку і калібрувальні бозони необхідно поставити у відповідність частку-суперпартнера. Відзначимо, що відкриття гіпотетичної "п'ятої сили" може поповнити список фундаментальних калібрувальних бозонів.
Чи впевнені фізики, що відомий в даний час рівень матерії найбільш фундаментальний, а кварки, лептони і калібрувальні бозони не є складовими? Ні, не впевнені. Існують теоретичні моделі, в яких вводяться ще більш фундаментальні та елементарні структури. Наприклад, лептокваркі, суперструн або лайливі. Але жодна з цих моделей не має експериментального підтвердження. В усякому разі, в даний час не має.
Все сказане вище у недосвідченого читача може викликати питання: "А чого складного то? Шість лептонів, шість кварків, дванадцять (вісім глюонів, фотон,, і) калібрувальних бозонів. Отаку трохи вивчають більше сотні років багато тисяч людей. Не безкоштовно вивчають. Сучасні експерименти над елементарними частинками обходяться у десятки мільйонів доларів щорічно ... кожен. У чому підступ? ". Ніякого підступу немає. Справа в тому, що при вивченні світу елементарних частинок людині не допоможуть ні зір, ні слух, ні нюх, ні дотик. З іншого боку, цікавий чоловік може досліджувати мікросвіт тільки за допомогою макроскопічних приладів. Наша фізіологія не залишає іншого вибору. Але що означає, досліджувати мікросвіт за допомогою макропріборов? Якщо закликати на допомогу аналогію, то це приблизно теж саме, що грати на більярді за допомогою кар'єрних екскаваторів. Поки зробиш один вдалий удар, роздавлюєш незліченне число куль і поламаєш величезна кількість столів! Сучасні прискорювачі і сучасні детектори - це "кар'єрні екскаватори мікроскопічного більярду". Вони перелопачують мільйони подій, закодованих в сотнях мільйонів сигналів вимірювальної апаратури, з метою знайти всього п'ять чи десять подій, здатних дати нову інформацію про взаємодії елементарних частинок.
Можливо, що аналогія, наведена в попередньому абзаці, у схильного до філософствування людини породить ще цілу низку "гострих" питань до фізиків-елементарщікам. Наприклад, а чому фізики взагалі впевнені в реальності існування фундаментальних частинок, в реальності їх дивовижних квантових властивостей? Раптом це всього лише плід нашої фантазії чи наслідок грубості тих приладів, якими вчені намагаються вивчати настільки тонкі речі як мікрочастинки? Більше того, можливо фізики взагалі неправильно розуміють мікросвіт і в результаті подібного неправильного розуміння виникла квантова теорія з її математичним апаратом і інтерпретаціями?
Подібні питання ставилися перед квантовою механікою та квантової теорії поля з моменту створення. Дати вичерпний і остаточну відповідь на них не вдалося до цих пір. Але частина відповідей знайдена. Почнемо з обговорення грубості макроскопічних приладів. У 30-х роках XX-го століття Альберт Ейнштейн припустив, що насправді походження квантовомеханічної ймовірності може бути аналогічно походженням ймовірності в класичній статфізіке. Нагадаємо, що в класиці імовірнісний опис виникає через те, що ми в силу деяких причин відмовляємося від повної інформації про систему, що дається точними рівняннями руху, і переходимо до розподілів (ймовірностей) з невідомих нам величинам. Ейнштейн припустив, що всі мікрочастинки на додаток до їх відомих характеристик (маси, спину, зарядам, парність) мають набір характеристик, не доступних для вимірювання будь-яким макропрібором, наприклад, в силу грубості останнього. Ці характеристики назвали прихованими параметрами квантової теорії. Таким чином, якщо б фізики могли виміряти приховані параметри, то можна було б передбачити результат будь-якої взаємодії у мікросвіті НЕ імовірнісним, а абсолютно детерміністічним чином. Більше 30-ти років вважалося, що теорію прихованих параметрів не можливо ні підтвердити, ні спростувати експериментально. Дійсно, як можна виміряти те, що не можна виміряти за визначенням?
Але в 1965 році Дж.Белл відшукав такий спосіб! Виявилося, що існує цілий ряд експериментальних ситуацій, в яких для певних лінійних комбінацій вимірюваних на досвіді величин всі теорії з прихованими параметрами пророкують результат, менший, ніж квантова механіка. При цьому на можливі приховані параметри як мікрочастинки, так і макропрібора накладається лише вимога локальності, тобто сумісності з теорією відносності. Ці лінійні комбінації, що носять назву нерівностей Белла, виміряні в декількох дослідах з фотонами і протонами. Результати дослідів повністю співпали з прогнозами квантової механіки. Виключити нелокальні приховані параметри експериментально не можливо. Але, з точки зору теорії, їх існування суперечить теорії відносності, правильність основних висновків якої підтверджена в сотнях експериментів на прискорювачах, в космічних променях і в атомній промисловості. Тобто, будь-яким ниспровергателем суто ймовірнісної квантової механіки доведеться "в якості додаткового вправи" переформулювати відповідним чином теорію відносності.
Треба відзначити, що в останні десятиліття подібна переформулировка стала представляеться не настільки неможливою. Схоже, що в багатовимірних просторах можливо вибрати таку метрику, яка, з одного боку, не порушує ньютоновский закон гравітації і теорію відносності Ейнштейна в четирехмеріі, а з іншого - через додаткові виміри принципово дозволяє передавати сигнали між двома точками чотиривимірного простору швидше за швидкість світла. Можна припустити, що за допомогою подібних теорій з'явиться можливість побудови "причинного квантової механіки" або навпаки, буде поставлено експеримент, який дозволить остаточно спростувати будь-які теорії з прихованими параметрами.
Для захоплених і легковірних читачів особливо варто відзначити, що шлях, описаний у попередньому абзаці, лише ГІПОТЕЗА, яка може виявитися помилковою при більш пильному розгляді. Крім того, не все так гладко з вибором метрики. Як не шкода, але детальне обговорення даних питань далеко виходить за рамки популярного введення в фізику елементарних частинок.
Цікавий і, мабуть, дивний для неспеціалістів факт полягає в тому, що передбачення квантової механіки і квантової теорії поля з експериментальної точки зору підтверджені набагато точніше, ніж пророкування класичної механіки і теорії відносності. Наприклад, згода між теоретичними прогнозами і експериментальним результатом для аномального магнітного моменту електрона складає 11 знаків після коми, в той час як характерна точність збігу теорії та експерименту в класичній фізиці 3-4 знаки після коми.
На закінчення скажемо кілька слів про реальність елементарних часток. Дійсно, елементарні частинки неможливо ні помацати, ні понюхати, ні побачити, ні спробувати на смак. Інформацію про їх існування вчені одержують за допомогою громіздких детекторів, які видають для обробки набори електричних або світлових сигналів. Тільки спеціальним чином аналізуючи отримані сигнали, фізики можуть вивчати властивості елементарних частинок. На перший погляд, немає абсолютно ніякої гарантії, що в довгому ланцюжку передачі сигналу з мікросвіту до макроскопічного спостерігачеві фізики-експеріметатори правильно враховують перешкоди, помилки або спотворення первинної інформації. Отже, елементарні частинки можуть виявитися лише мороком, неправильною інтерпретацією спотворених сигналів. Інша справа - макроскопічні об'єкти. Людина може дізнатися характеристики макроскопічних об'єктів без всяких посередників, тільки за допомогою органів почуттів. Тому в реальності макроскопічного навколишнього світу, як правило, не сумнівається. Але так здається тільки на перший вельми повехностний погляд.
Робота БУДЬ органу почуттів людини в макросвіті принципово не відрізнити від роботи макропрібора для вивчення мікросвіту. В якості прикладу розглянемо зір. Нехай людина бачить стіл. Що відбувається насправді? Сонце випускає величезну кількість фотонів. Вони взаємодіють з атомами столу, переизлучается на всі боки і мала їх частина потрапляє в око. Кришталик ока, у свою чергу, фокусує фотони на сітківці, де в результаті хімічної реакції з паличками і колбами виникають електричні сигнали. Ці сигнали по нервових волокнах передаються в мозок, який шляхом складного аналізу інформації, що надійшла відтворює зображення столу. Природно, що реальність зорового сприйняття можна перевірити за допомогою інших органів почуттів, наприклад, спробувати вкусити стіл зубами або вдарити по ньому кулаком. У результаті подібних дій в мозок піде незалежний сигнал від зубів або рук, що підтверджує сигнал від очей. Але, аналогічно розглянутому вище прикладі, реальність елементарних часток, універсальність їх властивостей підтверджується безліччю детекторів принципово різних конструкцій (камери Вільсона, лічильники Гейгера у всіх модифікаціях, пропорційні камери, черенковських лічильники, іонізаційні калориметри десятків різних систем). Цей набір макропріборов значно багатшими, ніж п'ять людських почуттів! А результати незалежних вимірювань характеристик мікрочастинок, виконаних цими приладами, чудово узгоджуються один з одним. Саме тому фізики вважають, що, скажімо,-бозон, отриманий на електрон-позитронному коллайдері в CERNе, не менш реальний, чим стіл або табурет у вашій квартирі, а кварк всередині протона такий же елемент Всесвіту, як і президент США, хоча ні першого , ні другого середньостатистичний (російський) вчений живцем не бачив.
Правда, завжди можна вдаритися в соліпсизм. Проти лома соліпсизму немає суто наукового прийому. Прихильникам соліпсизму залишається тільки порадити перестати уявляти, що вони читають цю нудну статтю, і зайнятися чим-небудь більш приємним. Читачам, які всерйоз зацікавилися обговорюваними вище питаннями, для більш глибокого вивчення можна порекомендувати книги [1] - [5].
На цьому короткий популярний введення в фізику мікросвіту можна закінчити і перейти безпосередньо до книги Дональда Перкінса.
Одинадцять років тому "Вища школа" випустив переклад третього англійського видання прекрасної книги британського вченого, професора фізики Оксфордського університету Дональда Перкінса "Введення у фізику високих енергій" (тираж 3000 екз). Книга справді унікальна. По-перше, в порівняно невеликому обсязі послідовно й досить докладно викладені результати всіх ключових експериментів у фізиці мікросвіту і чітко показано, як кожен із цих експериментів вплинув на становлення теорії елементарних частинок. По-друге, не може не вражати рівень викладу. Книга може бути корисна і третьокурснику, тільки початківцю в рамках курсу загальної фізики вивчати елементарні частинки, і старшокурсників, і аспіранту і навіть склався вченому, охочому чітко, ясно, швидко і глибоко усвідомити собі конкретне питання у фізиці мікросвіту. Багато цікавих методичних знахідок знайдуть у Д. Перкінса популяризатори науки. Мені не відомо ні однієї так само універсальної книги!
Проте з моменту виходу англійського видання (1987 рік) пройшло порядне час. Фізика елементарних частинок зробила крок далеко вперед. І ось в 2000-му році видавництво "Cambridge University Press" випустило у світ четверте перероблене і доповнене видання "Вступу ...". Через два роки книга в Росії не переведена, хоча ситуація з випуском наукової літератури за останні три роки в нас у країні дуже покращилася.
Пропоную мережевим читачам переклад одного параграфа з нового видання "Вступу ...". У цьому параграфі розповідається про відкриття останнього і найважчого з кварків-кварка. З цього пункту читач не фізик зможе до певної міри зрозуміти експериментальні труднощі і методи їх обходу, характерні для сучасної фізики елементарних частинок. Відкриття-кварка відбулося відносно недавно - у 1995 році. Російською мовою поки немає ні одного глибокого, але в той же час і досить популярного викладу цього великого досягнення фізики частинок.
Перекладений параграф призначений насамперед для студентів фізічіскіх спеціальностей ВНЗ, але може виявитися корисним читачам, що цікавляться фундаментальними науковими відкриттями. В останньому російською виданні книги Д. Перкінса перекладений матеріал повинен відповідати параграфу 5.16.
Дана стаття є складовою частиною мережевого проекту "Студентам про новітні досягнення у фізиці елементарних частинок" [6]. У 2001 році в рамках даного проекту була опублікована замітка Г. Фрейзера "Мелодрама під назвою" Час шукати Хіггс "[7] про інтригуючих, але, на жаль, безрезультатних пошуках бозона Хіггса на електрон-позитронного коллайдера LEP в CERN-e.
На закінчення необхідно відзначити, що наведені в російській видання 1991 року попередні експериментальні дані CERN-а по успішному пошуку-кварка в розпаді та вимірюванню 40 ГеВ не підтвердилися. В даний час маса найважчого кварка вважається рівною ГеВ, тому-кварк не може бути продуктом розпаду-бозона. Навпаки,-бозон є одним з продуктів розпаду-кварка.