15 наивных вопросов о Супер С-тау фабрике

Как две девушки-гуманитария попытались познать физику элементарных частиц
Анастасия Степанова    
Вероника Болонева    

Знакомясь с миром элементарных частиц, можно подумать, что попали в фэнтези: кругом кварки, адроны, тау-лептоны и множество других непонятных красивых названий. Между ними возникают сложные отношения, напоминающие то дружбу, то конфликт. Однако если верить физикам, этот мир реально существует и логически обоснован, в отличие от историй какого-нибудь Толкина. Разобраться в хитросплетениях микромира учёным помогают специальные ускорители — коллайдеры, в которых на огромной скорости сталкиваются элементарные частицы. Одну из таких установок с необычным названием «Супер С-тау фабрика» планируют построить в новосибирском Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. На примере будущего суперприбора гуманитарные корреспонденты «КШ» постарались разобраться в тонкостях ускорительной физики, а заодно и Стандартной модели. Проводником в мир элементарных частиц выступил для отчаянных девушек ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН, заведующий кафедрой физики элементарных частиц физического факультета НГУ, кандидат физико-математических наук Иван Логашенко.

Иван Логашенко
Ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН, заведующий кафедрой физики элементарных частиц физического факультета НГУ, кандидат физико-математических наук, один из разработчиков коллайдера «Супер С-тау фабрика».
ВЭПП 2000

Почему эта штука называется «фабрикой»? Это слово относится скорее к производству трикотажа или тумбочек, а не к ядерной физике…

Здесь нет противоречия: Супер С-тау фабрика будет производить частицы. Не мебель, конечно, но, согласитесь, сравнение напрашивается само собой. Вообще, фабриками частиц называют особый класс коллайдеров с высокой светимостью, которые заточены под получение определённых видов частиц.

ВЭПП 2000

Простите, а что такое «светимость»? Это про свет?

Не совсем. Это одна из характеристик коллайдера: чем больше столкновений пучков частиц, тем выше светимость. Новосибирская С-тау фабрика не просто так имеет в названии приставку «супер»: предполагается, что светимость установки будет в сто раз больше, чем у других, работающих в этом диапазоне энергий.

ВЭПП 2000

Диапазон энергий — это, конечно, понятнее, чем светимость, но что за энергия всё-таки имеется в виду?

Речь идёт об энергии, с которой пучки частиц сталкиваются друг с другом. Наша фабрика будет работать на сравнительно низких энергиях. Но зато можно будет с большой точностью проводить измерения, а значит, выше шансы поймать и изучить относительно редкие процессы. Это как фотография с высокой резкостью. Вот знаменитый Большой адронный коллайдер (БАК) работает на самой высокой энергии, достигнутой на сегодня. В результате на выходе получается очень много самых разных частиц, и в этом потоке трудно выловить то, что нужно. В общем, разные задачи — разные коллайдеры.

Слово «коллайдер» уже вошло в гуманитарный лексикон. Насколько мы понимаем, в нём что-то с чем-то сталкивается…

Да, Супер С-тау фабрика — это коллайдер. А главный принцип коллайдера — разогнать частицы до скоростей, близких к световым, и столкнуть друг с другом. Например, в БАКе сталкивают протоны или ядра свинца. В установке NICA, которая сейчас строится в Дубне, будут сталкивать ядра золота. А в Новосибирске выбрали частицы полегче: электроны и позитроны.

Иван Борисович Логашенко

Об электроне нам в школе рассказывали. Это про электричество. И ещё он такой маленький и летает вокруг атомного ядра. А «позитрон»?

Позитрон—античастица электрона. Всё то же самое, только заряд не отрицательный, а положительный. Существование таких частиц впервые предположил Поль Дирак в 1928 году. В 1932-м позитроны удалось зафиксировать в космических лучах, ну а потом их стали получать в лабораторных условиях.

Когда физики объясняют гуманитариям принцип работы коллайдера, они любят проводить аналогию со столкновением игрушечных автомобилей. Мол, если хорошенько стукнуть их друг о друга, то они разлетятся на куски и ребёнок сможет посмотреть, из чего они сделаны. Но нас смущает, что вы сталкиваете электроны и позитроны. Это ведь совсем элементарные частицы, на какие куски они могут разлететься?

Бывает, что при столкновении элементарные частицы не разлетаются на части, а рождают новые частицы. Представьте, что вы разогнали до огромной скорости два яблока и столкнули. В обычном мире вы получите не очень аппетитные ошмётки. А вот в микромире из точки столкновения электрона с позитроном вылетит много новых электронов, позитронов и других частиц.

Подождите! Электрон — это материя, позитрон — антиматерия. Если они сталкиваются, случается аннигиляция, мы об этом в фантастических книгах много раз читали. По идее, всё должно исчезнуть, разве нет?

В целом правильно. Слово «аннигиляция» происходит от латинского annihilatio — уничтожение, полное уничтожение, отмена. Но в природе ничто не исчезает бесследно. Когда аннигилируют электрон с позитроном, рождается состояние под названием «виртуальный фотон», и дальше открывается возможность для появления новых частиц, которые мы и ищем.

Туннель для с-тау фабрики

Вернёмся к названию вашей установки. Про фабрику мы поняли. А «С-тау» что означает? Звучит романтично, но совершенно непонятно.

Это сокращение от очарованных с-кварков (по-английски charm) и тау-лептонов. Начнём с кварков. Из школьной программы вы, наверное, помните, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Они, кстати, не такие уж элементарные, поскольку, в свою очередь, состоят из кварков. Существует шесть сортов, или ароматов, кварков. Нижние — d, верхние — u, странные — s, очарованные — c, прелестные — b и топ-кварки — t. Протоны, например, всегда состоят из двух верхних кварков и одного нижнего, а нейтроны — из одного верхнего и двух нижних. Комбинаций может быть великое множество, поэтому и видов частиц очень много. Очарованный кварк — это следующее поколение после нижних и верхних. Он довольно тяжёлый: весит больше, чем целый протон. Его заряд равен +2/3 e. Да, у кварков заряды дробные, но поскольку в обычном мире они никогда не появляются в одиночестве, то, например, у протона +1 e. Ещё у этого кварка есть такое свойство — очарование. Слово кажется простым и красивым, но за ним стоит очень сложная квантовая физика. Для гуманитариев достаточно будет знать, что очарование при одних видах взаимодействия всегда сохраняется, а при других может изменяться не более чем на единицу.

Пультовая

Quark в переводе с немецкого — «творог». Как связаны между собой фундаментальные частицы и кисломолочный продукт?

Гипотезу, что нейтроны и протоны состоят кварков, выдвинул американский физик Марри Гелл-Ман. Название для новых частиц он взял у Джеймса Джойса: в романе «Поминки по Финнегану» чайки кричат: Three quarks for Muster Mark! («Три кварка для мистера Марка»). А Джойс позаимствовал кричалку для чаек у неизвестных фермеров: на сельскохозяйственной ярмарке в Германии он увидел рекламный слоган Drei Mark für Musterquark («Три марки за образцовый творог»). Наверное, можно сказать, что кварки связаны с творогом через чаек Джеймса Джойса.

Каналы транспортировки пучков

А тау-лептоны? Это слово никаких ассоциаций не вызывает.

Тоже элементарная частица. Относится к тому же семейству, что и электрон. У неё такой же заряд и вообще много общего. Но она почти в три с половиной тысячи раз тяжелее. И распадается очень быстро. Если электрон живёт практически бесконечно (как минимум 6,6 × 1028 лет), то время стабильного существования тау-лептона — 2,9 × 10−13 секунды (то есть меньше одной триллионной). При этом вариантов распада может быть много — возможно, ключ к новой физике удастся найти именно там.

Пультовая

Почему фабрика производит именно эти частицы?

У каждого коллайдера своя специализация: например, новосибирский ВЭПП-2000 настроен на получение лёгких u-, d- и s-кварков, японская установка SuperKEKB производит уже b-кварки, а тяжеловес БАК — самые тяжёлые t-кварки. Супер С-тау фабрика будет специализироваться на с-кварках. А тау-лептоны по массе очень близки к с-кваркам и поэтому возникают в том же диапазоне энергий.

Каналы транспортировки пучков

В описании установки встречается много непонятных слов. Среди них, например, димюоний, чармоний… Это что?

Мюон — ближайший родственник тау-лептона и электрона. Он легче первого и тяжелее второго, соответственно, может возникнуть в результате распада тау-лептона. И у нас есть шанс первыми в мире получить вещество под названием димюоний. Это такой вариант атома водорода, в котором вместо протона и электрона — положительный и отрицательный мюоны. Теоретически такое возможно, но экспериментально пока ни у кого не получалось. В процессе строительства Супер С-тау фабрики будет сооружена специальная установка — мюмютрон — которая может стать первым местом, где это удастся сделать. Теперь про чармоний. Наверное, по названию вы уже догадались, что он состоит из очарованного кварка и его античастицы. «Они же должны аннигилировать!» — скажете вы и будете правы. Они действительно аннигилируют, но не сразу, а сначала какое-то время живут вместе, образуя этот самый чармоний.

Туннель для с-тау фабрики

Ещё там есть какие-то глюболы и что-то ещё на «глю-». Подозреваем, что с глюкозой они не связаны.

Это, наверное, самое интригующее. Существует четыре вида взаимодействий: электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное. Сильное взаимодействие удерживает кварки вместе, не давая протону или нейтрону развалиться. Его переносчики — глюоны. Отсюда и их название: glue в переводе с английского значит «клей». Пока нигде глюоны отдельно от кварков получить не удавалось. Но поскольку у них есть заряд, можно предположить, что они способны не только склеивать элементарные частицы, но и приклеиваться друг к другу. Слипшиеся глюоны и называют глюонием или глюболами.

Большие данные

Нас вот что смущает… Все эти частицы имеют очень, очень маленькую продолжительность жизни, их невозможно сфотографировать или снять на камеру. Как же тогда их обнаружить, зафиксировать и вообще понять, что в коллайдере произошло нечто важное и интересное?

Для регистрации частиц есть специальные детекторы. А если частица распадается ещё на подлёте к ним, события фиксируют по продуктам распада. На Супер С-тау фабрике после цепочки распада до детектора будут долетать только несколько видов частиц: фотоны, электроны, мюоны, пи- и К-мезоны, протоны, нейтроны и их античастицы. Понятно, что при таком раскладе совершенно разные события могут привести к одинаковым продуктам распада. Поэтому здесь начинается новый этап — накопление и анализ статистики: специалисты изучают, например, углы разлёта частиц, распределение по энергии и много-много других тонкостей. Помните, мы говорили про светимость? Это параметр, который показывает количество событий в коллайдере. Как я уже говорил, производительность Супер С-тау фабрики будет в сто раз выше, чем у аналогов, а это значит больше событий, больше статистических данных, более точные результаты и большая вероятность увидеть что-то действительно редкое. Именно поэтому, говоря о фабриках частиц, учёные всегда отмечают особую важность этого показателя.

Большие данные

Хорошо. Вот есть Большой адронный коллайдер. На нём нашли знаменитый бозон, после чего Питеру Хиггсу дали Нобелевскую премию. На установке LIGO впервые зафиксировали гравитационные волны, и Нобелевка досталась Кипу Торну с коллегами. А за что могут дать премию тем, кто охотится за кварками и лептонами на Супер С-тау фабрике?

За то же, за что её дали Питеру Хиггсу и Кипу Торну: за развитие Стандартной модели. За улучшение и дополнение этой теории для лучшего понимания микромира. На Супер С-тау фабрике можно будет проверить распады тау-лептонов и очарованных кварков, которые полностью не подтверждены Стандартной моделью. Также, возможно, в распадах очарованных частиц удастся найти нарушения СP-симметрии — баланса между материей и антиматерией.

А что, если физику частиц переложить на музыку? Допустим:
Адро-о-он
Бозо-о-он
Глюо-о-о-он
Тау-лепто-о-он
Ля-я-а-а-а. Ля-а-а-а...
И не надо говорить, что у меня нет ни слуха, ни голоса!

Источники

Спецномер научно-популярного журнала «Кот Шрёдингера», октябрь 2018

Иллюстрации

Светлана Ерыгина/НГУ