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.
![](/media/images/podverst_Logashenko.original.jpg)
![](/media/images/VEPP_2000_4.original.jpg)
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.
![](/media/images/VEPP_2000_5.original.jpg)
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.
![](/media/images/VEPP_2000_8.original.jpg)
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.
![](/media/images/Ivan_Borisovich_Logashenko-2.original.jpg)
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.
![](/media/images/tunnel_dlia_S_tau_fabriki-2.original.jpg)
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.
![](/media/images/pultovaia_4.original.jpg)
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.
![](/media/images/kanaly_transportirovki_puchkov_7.original.jpg)
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.
![](/media/images/pultovaia_1.original.jpg)
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.
![](/media/images/kanaly_transportirovki_puchkov_4.original.jpg)
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.
![](/media/images/tunnel_dlia_S_tau_fabriki-3.original.jpg)
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.
![](/media/images/bolshie_dannye_2-3.original.jpg)
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.
![](/media/images/bolshie_dannye_2-5.original.jpg)
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!
Спецномер научно-популярного журнала «Кот Шрёдингера», октябрь 2018
Светлана Ерыгина/НГУ