Фрэнк Вильчек - Основы реальности

Но экспериментаторы приняли двусмысленный вызов Паули: построили и оснастили гигантские детекторы. Сегодня физика нейтрино представляет собой огромное, бурно развивающееся поле деятельности. Среди прочего, эксперименты дают нам ясное представление и о происходящем в солнечном ядре, и о бурных превращениях при взрывах сверхновых звезд, сопровождающихся выделением огромного количества энергии.

Наконец, в главе 8подробно описана частица Хиггса, которая и была там главным действующим лицом.

Переходим к группе элементарных частиц, о которых мы по-настоящему мало что знаем. Все эти «бонусные» частицы нестабильны. Они обнаружены среди продуктов распада ядер при столкновениях в космических лучах (в начале XX века) и на ускорителях частиц (совсем недавно). Когда в 1936 году открыли первую из них — мюон, — известный физик Исидор Раби [147]воскликнул: «Ну и кто это заказывал?», выразив этим шуточным замечанием, ставшим легендарным, общее недоумение научного сообщества. Массы бонусных частиц варьируются в широком диапазоне, никакой закономерности в их значениях не просматривается, что можно увидеть в следующей таблице.

Эти частицы образуют три группы. Глядя на их свойства, можно заметить, что c - и t -кварки являются более тяжелыми и нестабильными версиями u -кварка; s - и b -кварки — более тяжелыми и нестабильными версиями d -кварка, а мюон и тауон — более тяжелыми и нестабильными версиями электрона.

И последняя наша «элементарная частица» находится в стадии изучения. Она связана с проблемой темной материи, описанной в главе 9. Напомню: астрономы не раз наблюдали действие более сильной гравитации, чем могли объяснить.

Несоответствие бывало совсем немаленьким; чтобы его интерпретировать, требовалась примерно в шесть раз большая масса, чем могла обеспечивать обычная материя.

Проблему темной материи могла бы решить элементарная частица с нужными свойствами — если бы оказалась источником загадочной гравитации. Наблюдаемые данные в целом согласуются с этим предположением, но информации недостаточно, чтобы точно вычислить важнейшие свойства частицы, такие как масса и спин.

Вот адрес веб-сайта Particle Data Group: http://pdg.lbl.gov. На нем задокументированы (с датами получения и всеми техническими деталями) эмпирические свидетельства, на которых основывается наше фундаментальное понимание космологии, материи и ее взаимодействий. Это настоящий храм науки, возведенный усилиями нескольких поколений ученых разных континентов во славу физической реальности.

Сильное взаимодействие между кварками и глюонами снижается не только при малых расстояниях во времени и пространстве, но и при больших изменениях энергии и импульса. И то и другое — две стороны асимптотической свободы. Используя уравнения квантовой механики, одно можно вывести из другого.

Большие изменения энергии и импульса редки, но приводят к поразительному явлению, которое стало главной характерной чертой взаимодействий частиц сверхвысоких энергий. Речь о возникновении струй . Струи раскрывают суть КХД: демонстрируют нам кварки, глюоны и их основные взаимодействия в удивительно естественной и осязаемой форме.

Давайте посмотрим, что происходит, когда на кварк внутри протона внезапно действует внешняя сила — например, налетающий электрон. Кварк, вырванный из обычного окружения, получает больш у ю энергию и импульс и вылетает из протона. Однако изолированный кварк существовать не может. Его некомпенсированный цветной заряд нарушает равновесие полей цветных глюонов, и поэтому кварк начинает излучать глюоны, теряя энергию и импульс. Эти вторичные глюоны также будут излучать либо другие глюоны, либо кварки и антикварки. Таким образом, первоначальный резкий удар порождает каскад кварков, антикварков и глюонов, которые затем сбиваются в протоны, нейтроны и другие адроны. Как всегда, кварки, антикварки и глюоны не живут как отдельные частицы и могут существовать только в коллективе.

Звучит сложно, и так оно и есть. Но теория асимптотической свободы вносит в хаос структуру: учит нас, что, поскольку излучение, связанное с передачей больших энергий и импульса, возникает редко, все частицы каскада стремятся двигаться в одном направлении. В результате мы наблюдаем множество треков частиц в узком конусе. Мы говорим, что они образуют струю . Поскольку энергия и импульс в целом сохраняются, полная энергия и импульс всех частиц внутри нашей струи будут равны энергии и импульсу исходного кварка.

Это явление — прекрасный подарок физикам. Струи содержат информацию об энергии и импульсе частиц, которые их инициировали, а потому служат «аватарами» этих частиц. Таким образом, кварки и глюоны становятся вполне осязаемыми объектами, хотя сами по себе, изолированно, не существуют. Мы можем предсказать поведение кварков и глюонов через предсказания для струй. Таким образом мы точно и в деталях проверяем основные законы КХД — все утверждения о кварках и глюонах. Струи также позволяют нам разобраться в других процессах, известных или гипотетических, где участвуют кварки и глюоны.

Обычно экспериментаторы докладывают о том, сколько кварков и глюонов образовалось в изучаемых ими реакциях, как они распределены по энергии, углу и так далее. На самом деле они наблюдают не кварки и глюоны, а соответствующие струи, но после тысяч успешных проверок распознавание и идентификация частиц стали обычным делом. Кварки и глюоны вошли в мир как странные гипотетические фантомы — частицы, которые, согласно теории конфайнмента, не могут существовать изолированно. С помощью замечательных идей ученых они стали осязаемой реальностью — не просто частицами, а струями.

Общая теория относительности предсказывает удивительную взаимосвязь между средней кривизной пространства, средней плотностью вещества внутри него и скоростью расширения Вселенной. Если общая плотность материи равна некоторой критической отметке, то пространство будет плоским; если плотность больше, оно будет иметь положительную кривизну, подобно сфере, а если меньше — то отрицательную, подобно седлу.

В настоящее время критическая плотность составляет около 10 –29граммов на кубический сантиметр, что эквивалентно массе шести атомов водорода на кубический метр. Хотя эта плотность намного ниже, чем самый сверхвысокий вакуум, полученный в земных лабораториях, похоже, она близка к средней плотности Вселенной в целом.