Открытие самой тяжелой элементарной частицы

Б.А.Арбузов (Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 9, 1996 г. Содержание

---

Открытие t-кварка, ответы и новые вопросы

До того как было получено вполне определенное предсказание (9), поиски t-кварка велись, как говорят, широким фронтом и были получены прямые экспериментальные ограничения на его массу, например, M_t > 62 ГэВ/c² (из вероятностей распада промежуточного бозона ). Интервал (9) указывает на то, что не следует искать распад W⁺, поскольку W оказывается легче t-кварка и, разумеется, не может по этому каналу распадаться. Значит, надо, во-первых, искать процесс парного рождения t-кварка и его антикварка при максимальной доступной энергии. Для протон-антипротонных соударений этот процесс схематически представлен на рисунке 3. Во-вторых, большая масса (9) определяет доминирующий канал распада t-кварка:

,

(10)

Таким образом, для поиска t-кварка следует зарегистрировать характерные для W распады (7) и сопровождающий их b-кварк. Отличительной чертой частиц, содержащих b-кварк, является время жизни, равное примерно 1,5 10^-12 c. Нетрудно оценить длину пробега таких частиц до распада:

(11)

Измерение таких расстояний в вершинных детекторах экспериментальных установок вполне возможно. Итак, после получения предсказания (9) поиски t-кварка сосредоточились на ускорительной установке с максимальной в настоящее время энергией 1800 ГэВ, расположенной в Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (США). Результатом этих поисков и явилось открытие t-кварка двумя большими группами физиков: CDF и D0 (по-русски читается дэ-ноль). Каждая из этих групп объединяет более 400 физиков из нескольких десятков университетов и лабораторий, в основном американских. Однако существенный вклад в работу внесли также физики из других стран. В частности, в создании установки D0 и в экспериментальных исследованиях на ней значительная доля труда российских физиков из Института физики высоких энергий (Протвино) и из Московского университета.

Рис. 3. Схематическое изображение процесса рождения пары кварков . Штриховая линия соответствует обмену глюоном.

Основная трудность поисков t-кварков заключалась в выделении искомого редкого процесса из огромного фона обычных процессов множественного рождения легких частиц. В результате напряженной работы, занявшей несколько лет, и были найдены первые твердо установленные события рождения и распада t- и -кварков. Число событий в каждом эксперименте не превышает двух десятков, однако сам эффект существования нового кварка является доказанным. Достигнутая точность определения массы еще не очень высока и составляет

Mt = (176 13) ГэВ/c2 (CDF); Mt = (199 30) ГэВ/c2 (D0).

(12)

Сравнивая эти результаты с предсказанием (9), мы убеждаемся в хорошем согласии, особенно с более точным результатом группы CDF. Таким образом, открытие самой тяжелой из известных нам частиц состоялось в точном соответствии с предсказанием ее массы. Это еще раз показывает, что мы правильно понимаем основные закономерности физики элементарных частиц, физики микромира. Однако, как всегда бывает, новое открытие, новое достижение порождает и новые вопросы. Оказалось, что наблюдавшаяся вероятность рождения пары в процессе, представленном на рис. 3, несколько больше, чем расчетная. Точность измерения этой вероятности, или сечения рождения t-кварков в протон-антипротонных столкновениях в этих первых экспериментах еще не высока и поэтому факт расхождения опыта с теорией не является окончательно установленным. Превышение экспериментально измеренной величины над теоретической проявляется в обоих экспериментах и уже вызывает серьезные вопросы о причинах этого явления. Возможно, здесь проявляются новые, неизвестные пока свойства t-кварка, отличающие его от легких кварков. И еще в одном явлении наблюдается расхождение теории с экспериментом, связанное, возможно, с необычными свойствами t-кварков. Речь идет о распаде промежуточного бозона , одном из каналов (4). Как видно из (1), b-кварк входит в одну пару с t-кварком, поэтому взаимное влияние их друг на друга является максимально возможным. Разумеется, самым максимальным образом необычность t-кварка проявилась бы в распаде , если бы он осуществлялся. Но удвоенная масса t-кварка намного превышает массу Z, и такой распад невозможен. Поэтому мы можем рассчитывать на проявления свойств t-кварка на другие процессы за счет поправок теории возмущений. Итак, о распаде . Отношение вероятности этого распада к суммарной вероятности распада Z по всем адронным каналам обозначается R_b и является величиной, которую, с одной стороны, можно с высокой точностью рассчитать теоретически, а, с другой стороны, с высокой точностью измерить экспериментально. Последнее обстоятельство наиболее важно и связано с тем, что регистрация пробегов b-частиц (11) в вершинных детекторах установок позволяет надежно отделять изучаемые события от фоновых, добиваясь существенного уменьшения экспериментальных погрешностей в измерении интенсивности этого процесса:

Rb (эксп) = 0,2219 0,0016

(13)

при R_{b (расч.)} = 0,2157. Отличие экспериментального значения от теоретического намного превосходит возможные ошибки эксперимента (на языке математической статистики оно составляет почти четыре стандартных отклонения). Этот результат вызывает обоснованную обеспокоенность физиков. Получается, что практически одновременно с открытием t-кварка обнаружены явления, возможно, свидетельствующие о новых, необычных его свойствах. Изучается вариант теории, в котором t-кварк, в отличие от более легких кварков, имеет дополнительное взаимодействие с электромагнитным полем, которое связано с происхождением его большой массы, приводящее, с одной стороны, к дополнительному рождению t-кварков в процессе, соответствующем рис.3, а, с другой стороны, увеличивающее значение R_b . Расчеты показывают, что уточнение теории учетом дополнительного взаимодействия ведет к сближению ее результатов с экспериментальными данными. Предлагаются, естественно, и другие объяснения эффектов, которые мы только что обсудили. По-видимому, в ближайшие годы совокупные усилия физиков позволят найти правильное объяснение этим явлениям. Так или иначе, обстоятельства открытия t-кварка и одновременного возникновения новых проблем, которые, в свою очередь, разрешаются в результате дальнейших научных исследований, являются яркой иллюстрацией того, как живет и развивается наука.

Заключение

В данной статье описано недавнее яркое открытие в физике элементарных частиц. Однако научная деятельность никоим образом не состоит из одних открытий. Развитие науки происходит за счет повседневной, кропотливой работы, которая, на первый взгляд, не имеет ничего общего с романтикой открытий. Одни стараются с максимальной точностью вычислить какой-нибудь эффект, другие - поточнее его измерить. Чаще всего эти два метода дают согласующиеся результаты. Однако тем больший интерес вызывают небольшие, но твердо установленные отклонения вычислений от опыта. Так было в случае с возмущениями движения планеты Уран, что привело в 1846 году к открытию новой планеты Нептун. Так было с малыми поправками к распадам промежуточного бозона Z, изучение которых привело к предсказанию массы t-кварка, блестяще подтвердившемуся в 1995 году. Возможно, что-то подобное произойдет и с малыми отклонениями в распаде .

Литература

1. Намбу Е. Кварки. М.: Мир, 1984.
2. Окунь Л.Б. Лептоны и кварки. М.: Наука, 1982.

Назад

Публикации с ключевыми словами: элементарные частицы - кварки - t-кварк Публикации со словами: элементарные частицы - кварки - t-кварк
См. также: Бозон Хиггса: объяснение в комиксе Связь кварков с космосом: двенадцать научных вопросов для нового века Публичная лекция лауреата Нобелевской премии: Рождение творческих идей Эволюция вселенной Лептоны Элементарные частицы Ее звали Икс Все публикации на ту же тему >>