Разрешите представиться, меня зовут Алексей. В свои 34 года я работаю старшим научным сотрудником Петербургского Института Ядерной Физики (к.ф.-м.н.), изучаю как на Большом Адронном Коллайлере (БАК) рождаются (и как потом распадаются) элементарные, (а по мне так лучше применить термин субатомные) частицы, похожие по своей структуре на протон, но содержащие тяжёлые кварки. Очень интересная работа. Она одна из тысяч научных работ, выполняемых на БАК. Некоторые из них, такие как открытие бозона Хиггса и изучение его свойств, на слуху. Другие (открытие пентакварков или измерение характеристик очень редкого распада $B$-мезона на пару положительно и отрицательно заряженных мюонов) проскакивают в СМИ, но подавляющее большинство работ неизвестно широкой аудитории, что в общем-то закономерно. Но нам физикам, конечно хочется рассказать чем мы там всё-таки занимаемся. И вот я заметил, что с подобными рассказами для неподготовленной аудитории возникает проблема, которую я бы сформулировал так: “Как показать собеседнику текущую картину, современное понимание физики?” Вы уже заметили, что с начала лекции я использовал уже несколько, скорее всего, непонятных вам понятий: коллайдер, адрон(ный), бозон Хиггса, пента(кварк), $B$-мезон, мюон. Для подавляющего большинства людей (собственно, для людей, которые не связаны с физикой элементарных частиц) эти слова пустой звук. А между тем, без их понимания совершенно невозможно объяснить, чем мы там занимаемся. Итак, я бы сформулировал основные задачи сегодняшнего выступления так: познакомить вас с терминологией, а главное, показать (очень широкими мазками), как строилась и проверялась современная теория, описывающая микромир, начиная с момента зарождения представлений о квантовой природе его и заканчивая экспериментальным обнаружением бозона Хиггса на Большом Адронном Коллайдере.
Я подготовил первый вариант лекции, и, слава богу, решил ее отрепетировать у себя в институте, пригласив в качестве "пробных тел" несколько людей, не занимающихся физикой элементарных частиц, а также в качестве консультанта физика из теор-отдела ПИЯФа Якова Исааковича Азимова, которому хочу выразить огромную благодарность за помощь в этой работе. И вот во вторник вечером стало ясно, что надвигается катастрофа. С одной стороны объем материала, рассказать который я хотел, был огромным и неподъемным для неподготовленной аудитории, с другой стороны, Яков Исаакович почти после каждого слайда просил слова и рассказывал, как это было на самом деле. В итоге стало понятно, что надо упрощать, срезать углы, делать мазки шире, опускать подробности, какими бы интересными они не казались. Чем я в последние дни судорожно занимался. Отмечу, что из любого опыта нужно стараться вынести что-то позитивное. И я бы это позитивное сформулировал такая: первое, всегда делайте эксперименты и проверяйте сами себя; второе, хорошо бы, чтобы во время проведения эксперимента вокруг крутился бы физик-теоретик и проверял, не занимаетесь ли вы ерундой. Итак, поехали…
К концу XIX века у физиков, которые тогда работали, сложилась потрясающая по своей красоте очень хорошо проработанная картина мира. Классическая механика, термодинамика, электродинамика $-$ они прекрасно описывали окружающий мир. Оставались, правда, "небольшие облака на чистом небе физики". Удивительно, но из этих небольших облаков выросла вся физика XX века, полностью изменившая не только представления учёных о том, как устроен мир, но и сам этот мир. Полупроводниковая техника (а значит, и компьютеры), атомная энергетика, лазеры, современная медицина $-$ вот только некоторые сферы сегодняшней жизни, которые были бы невозможны без её достижений. Нет, старая физика никуда не ушла. Более того, новая теория органично включает в себя старую, просто сейчас нам стали известны пределы применимости старых законов. Настоящим триумфом современной физики стала разработка и экспериментальная проверка Стандартной Модели $-$ теории, описывающей удивительный мир элементарных частиц, а по сути, описывающей весь видимый мир. Нужно отметить не очень удачное название, которое прижилось, и все нынешние попытки переименовать ее в Стандартную Теорию пока не очень успешны.
Какие же проблемы волновали физиков конца XIX века? Я бы сформулировал ответ довольно "обще" -- понимание природы излучения. Во-первых, оставалась в некотором смысле не ясной ситуация с электромагнитным излучением. Нет, уравнения Максвелла уже были написаны (они и предсказали такое излучение), но что является носителем электромагнитных волн? Многие думали, что это некоторое "мировое поле" -- эфир (прим. в сторону, насколько же смелы были Энглер, Браут и Хиггс в более позднее время!). Во-вторых, уже в самом конце XIX века были открыты новые виды излучения, которые надо было как-то объяснить. Например, было опытным путём выяснено, что если приложить потенциал к двум электродам и нагреть катод, то он испускает так называемые катодные лучи, движение которых искривляется электрическими и магнитными полями. А потом внезапно оказалось, что некоторые химические вещества сами постоянно испускают еще какие-то лучи (явление радиоактивности, открытое Беккерелем), причем в опытах лаборатории Резерфорда было установлено, что эти лучи можно разделить на несколько типов, в зависимости от их характеристик, таких как проникающая способность и поведение в магнитном поле. Какова же природа всех этих излучений?
Английский физик Томсон поставил следующий эксперимент: он сумел уравновесить действие на катодные лучи электростатического и магнитного полей (надеюсь, это понятно любому человеку, для которого школьный курс физики не пустой звук) и, в результате, сумел показать, что эти лучи являются потоком частиц, несущих отрицательный электрический заряд. Он назвал их электронами. Масса электронов оказалась на три порядка меньше, чем масса легчайшего атома $-$ атома водорода. Естественно было предположить, что электроны вылетают из атомов (а ведь слово "атом" по-гречески означало "неделимый"!). Значит, атом может иметь структуру. Томсон предложил первую модель атома, как некоторой размазанной положительно заряженной субстанции, в которую вкраплены электроны (вроде как изюм в пудинге).
Другой проблемой было описание спектра излучения нагретого тела. К тому времени уже было понятно, что такого рода задачу можно свести к задаче об излучении абсолютно чёрного тела, гипотетического объекта, поглощающего все падающее на него излучение. Хорошим приближением для излучения черного тела является излучение, выходящее из маленькой дырочки в сфере с чёрными внутренними стенками, который можно нагревать до нужной температуры. С точки зрения классической физики имела место так называемая ультрафиолетовая катастрофа. Согласно закону Релея и Джинса плотность энергии излучения должна бесконечно расти с уменьшением длины его волны (т.е., с увеличением частоты). Но эта формула прекрасно работала лишь при больших длинах волн. При малых длинах волн работал так называемый закон Вина, чисто эмпирический. В попытке "сшить" эти два закона Макс Планк в 1900 году получил прекрасно работающую формулу, у которой, правда, есть один (возьмём в кавычки) "недостаток" $-$ из неё следует, что излучение черного тела несет энергию в виде порций, квантов. Планк был, конечно, настоящим классическим физиком (сейчас таких, кажется, уже не делают), он сказал (в вольном переложении на современный язык): “Окей, сфера замкнутая, там внутри гуляют электромагнитные волны, и они интерферируют между собой, это и заставляет их группироваться в порции, а мы видим этот процесс, наблюдая излучение из дырки в сферическом ящике...“ Но тут, в 1905 году, появляется молодой человек, гений, Альберт Эйнштейн, который утверждает, что именно кванты и есть та форма, в которой электромагнитное излучение и испускается, и поглощается, да и распространяется в пространстве, совершенно независимо от черного или какого-либо другого тела. Это позволило ему объяснить, например, известные к тому времени свойства фотоэффекта. В нем энергия кванта тратится на то, чтобы сначала вырвать электрон, а затем придать ему кинетическую энергию. Так как вырывание электрона требует определенной затраты энергии (работа выхода), то фотоэффект имеет порог.
В том же 1905 году Эйнштейн высказал утверждение, что свет, независимо от квантов, принципиально невозможно догнать: его скорость одна и та же в любой системе отсчёта (в резком противоречии с привычными тогда принципами физики Ньютона). Но ведь законы природы должны быть универсальны в любой инерциальной системе отсчета (позже Эйнштейн обобщит этот принцип и на неинерциальные системы отсчёта). На этой основе Эйнштейн формулирует специальную теорию относительности. Ее формулы, которые у меня нет сейчас времени объяснять, стали теперь абсолютно инженерными $-$ они используются при построении ускорителей и атомных реакторов, при их помощи мы ищем новые частицы и т.п. Чтобы вы поняли весь масштаб прорыва, который сделал Эйнштейн, скажу, что в то время даже молекулярно-кинетическая теория ещё не господствовала до конца. Например, Мах и Освальд считали, что она лишь тормозит правильное понимание природы. Тем более удивительно, что в том же 1905-м году, году чудес, как его позже назвали, Эйнштейн выпускает еще одну работу, в которой делает движение молекул и атомов наблюдаемым, объясняя с его помощью эффект броуновского движения. Это был один из последних гвоздей, закрепивших молекулярно-кинетическую теорию. Пожалуй, последним гвоздем в крышку гроба антимолекулярных представлений явилось рентгеновское исследование кристаллов в 1912 году.
Давайте прыгнем чуть вперёд по времени и вспомним, что в 1923 году Артуром Комптоном был обнаружен эффект, названный его именем. Изучая рассеяние фотонов на электронах, он обнаружил, что длина волны фотона сдвигается после взаимодействия на вполне определенную величину, зависящую лишь от массы электрона. Этот эффект явился нагляднейшее подтверждением теории световых квантов Эйнштейна. Он утвердил принцип корпускулярно-волового дуализма для света (электромагнитного излучения), который в одних экспериментах ведет себя как волна, в других как частица.
Продолжалось и изучение радиоактивности. Так, Беккрель показал, что $\beta$-лучи это электроны. В лаборатории Резерфорда были приготовлены пучки из $\alpha$-лучей,(к тому времени Резерфорд и Ройдс (Royds) уже показали, что $\alpha$-лучи это ядра гелия). И вот, в лаборатории Резерфорда Гейгер и Марсден изучали рассеяние $\alpha$-лучей на тонких фольгах, В 1907 году Резерфорд из соображений аккуратности предлагает им промерять и большие углы рассеяния, и тут открылась полная неожиданность. По словам Резерфорда, цитирую: ”Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанёс удар!”. Стало понятно, что в атоме есть сильно заряженная (а также крохотная) структура $-$ атомное ядро! Резерфорд выдвигает планетарную модель атома, в этой модели атом похож на Солнечную систему. Электроны движутся по орбитам вокруг тяжелого атомного ядра. То что модель нежизнеспособна в рамках классической физики было почти сразу понятно. Заряженная частица, двигающаяся по круговой орбите в соответствии с уравнениями Максвелла должна изучать. Расчёты сделал Хэвисайд. Как быть?
Буквально на секунду отвлечемся и скажем, что в 1919 году Резерфорд наблюдает, что если бомбардировать азот $\alpha$-частицами, то он превращается в кислород и при этом вылетает протон $-$ ядро атома водорода. Это первое наблюдение ядерных реакций. Появилось подозрение, что и ядро тоже может быть составной системой. Это оживило старую гипотезу Праута 1816 года выпуска $-$ все атомы состоят из атомов водорода. Но прежде, чем разбираться с ядрами нужно было все же разобраться с тем, как устроен атом.
И начиная говорить об этом, нельзя обойти фигуру Нильса Бора, физика, который, размышляя об устройстве атомов, заявил, что “первые принципы” классической физики должны быть, скажем так, дополнены. Это было нужно, например, для объяснения спектра излучения атомов. Основные постулаты Бора были таковы: атом находится только в особенных состояниях с определенной энергией, излучение и поглощение энергии происходит скачком. Бор начал с простейшего случая круговых орбит электрона. В 1916 Зоммерфельд обобщил теорию Бора на некруговые орбиты. Это было время так называемого квазиклассического подхода, когда уравнения движения оставались классическими, но к ним добавлялись некоторые правила квантования. Это не решало всех проблем, но ситуация становилась понятнее.
В 1924 году Луи де Бройль кидает безумное предложение распространить принцип корпускулярно-волнового дуализма на частицы, имеющие массу покоя: “...быть может, каждое движущееся тело сопровождается волной, и невозможно разделить движение тела и распространение волны”. Луи де Бройль, бывший историк, переучившийся под влиянием своего старшего брата Мориса (физика-экспериментатора) на физика-теоретика, не имел репутации, но имел “незамутнённый взгляд” и мог высказать “безумную” идею. Эту идею подхватил Эрвин Шрёдингер, профессор Цюрихского университета, который имел опыт работы по волновой и классической оптике, был знаком с теорией квантов, обладал отточенной техникой решения уравнений. Он, в частности, знал о тесной связи между классической механикой и геометрической оптикой на уровне вариационных принципов (принцип Ферма и принцип Мопертюи). Он без колебаний написал и решил волновое уравнение для колебательного процесса де Бройля, основав так называемую волновую механику, которая первоначально рассматривалась как “реванш классической теории” над наивной квантовой теорией Бора-Зоммерфельда, с её таинственным правилом целочисленного квантования, и как “разумная и ясная альтернатива” матричной механики Гайзенберга-Борна-Йордана. В волновой механике таинственная целочисленность не вводится руками, она возникает сама по себе, подобно тому, как сама по себе получается целочисленность числа узлов при рассмотрении колеблющейся струны. За первую половину 1926 года Шредингер пишет стационарное и не стационарное уравнения, решает задачу об атоме водорода, осцилляторе и ротаторе, строит стационарную и нестационарную теорию возмущений и, наконец, доказывает эквивалентность матричной и волновой механики. Опыты Клинтона Дэвиссона и Лестера Джермера по бомбардировке никеля электронами, проведенные в 1923-27 годах, и Томсона о дифракции электрона на целлулоидной плёнке подтвердили гипотезу де Бройля. Забавно, что Джордж Томсон был сыном Джозефа Томсона. Таким образом, отец открыл электрон и доказал, что это частица, а сын доказал, что электрон имеет-таки волновые свойства.
Я уже упомянул матричную механику Гейзенберга-Борна-Йордана $-$ исторически первую форму квантовой механики. С именем Гейзенберга связано соотношение неопределенности, которое утверждает, что существуют пары величин, совместно измерить которые сколь угодно точно принципиально невозможно. Вот пары таких величин: импульс и координата, угол и угловой момент, энергия системы и момент времени, в который система ею обладает. Это связано с тем, что принципиально нельзя “развязать” объект измерения, микрочастицу, и макроприбор.
Вообще, в микромире мы постоянно натыкаемся на понятия, которые с точки зрения классики непонятны. Взять, например чисто квантовое понятие спина частицы (атома, атомного ядра, протона, электрона). В 1921 году Отто Штерн и Вальтер Герлах, пропуская атомы серебра через сильное неоднородное магнитное поле, увидели, что пучок расщепляется на два. Спин оказался совершенно необходим для описания расщепления спектров атомов в магнитном поле. Оказалось, что спин $-$ неотъемлемое квантовое число для элементарных частиц. Более того, существует два принципиально разных класса частиц: частицы с полуцелым спином (полуцелое в смысле постоянной Планка) $-$ фермионы, и частицы с нулевым или целочисленным спином $-$ бозоны. Фермионы $-$ индивидуалисты, два фермиона не могут быть в одном и том же состоянии, т.е. иметь одинаковые квантовые числа. Это так назывемый принцип запрета, сформулированный Вольфгангом Паули. С бозонами ситуация прямо противоположная, они любят оказываться в одном же состоянии. Именно существование фермионов и бозонов делает наш мир таким каким мы его видим, т.е. пригодным для жизни. Как мы очень скоро увидим основными кирпичиками материи являются фермионы, тогда как переносчиками взаимодействий оказываются бозоны.
В этом месте, пока мы еще далеко не ушли от нерелятивистской квантовой механики, я хочу сделать маленькое лирическое отступление. Хотелось бы порекомендовать всем прочитать эссе Винера о непостижимой эффективности математики в естественных науках. На слайде вы видите двух математиков: портрет Джероламо Кардано и фотографию Давида Гильберта. Кардано был, видимо, первым, кто упомянул в своей работе комплексные числа. В рамках формального решения задачи по вычислению двух чисел, которые в сумме дают 10, а при перемножении дают 40. Он получил для этой задачи квадратное уравнение для одного из слагаемых, и нашёл его корни: пять плюс-минус квадратный корень из минус пятнадцати . В комментарии к решению он написал: «эти сложнейшие величины бесполезны, хотя и весьма хитроумны». Гильберт придумал гильбертово пространство. Комплексные числа и гильбертово пространство лежат в основе математического аппараты квантовой физики. Невероятно, но объекты придуманные как "игра разума", просто необходимы для описания мира вокруг нас.
Итак, давайте рассмотрим ситуацию, сложившуюся к концу 20-х годов. У нас есть атомы (ядра и электроны), фотоны, квантовая механика. К сожалению, квантовая механика $-$ нерелятивистская теория, действующая при скоростях много меньше скорости света в вакууме. Нужно еще релятивистское обобщение $-$ квантовая электродинамика (КЭД). И вот к 1930 году Полю Дираку удалось построить и решить уравнение для релятивистского электрона. Существенной проблемой оставалось однако то, что волновая функция, являвшаяся решением этого уравнения, содержала две дополнительные компоненты, характеризуемые отрицательной энергией. Дирак предположил, что эти состояния соответствуют частице, подобной электрону, но имеющей положительный электрический заряд. Сразу постулировать существование антиэлектрона Дирак не решился. Он предположил, что такой частицей является протон, а его масса, почти в 2000 раз превосходящая массу электрона, обусловлена кулоновскими взаимодействиями между многими электронами. Вскоре, в ходе научной дискуссии, появилось понимание, что протон не может являться антиэлектроном. Дирак с этими доводами согласился, но указал, что тогда должна существовать и античастица для протона $-$ антипротон. Уже в начале 30-х годов Дирак предполагал существование антивещества, т.е. атомов, содержащих антипротоны вместо протонов, а вместо электронов $-$ позитроны.
Антиэлектрон (позитрон) был открыт уже в 1932 году Карлом Андерсоном, который изучал космические лучи при помощи камеры Вильсона, в которой заряженные частицы оставляли треки. Эти треки можно сфотографировать и изучать. Можно поместить камеру в магнитное поле и тогда треки будут искривляться. Но для любой фотографии трека непонятно, как шла частица, снизу-вверх или сверху вниз. Андерсон добавил металлическую пластинку посередине. Заряженная частица теряла в пластинке энергию, кривизна трека изменялась, и дилеммы уже не было. Так был открыт позитрон. А в 1934 году супруги Жолио-Кюри обнаружили еще один источник позитронов $-$ $\beta^{+}$-радиоактивность. Существование антипротона было впервые экспериментально подтверждено лишь в 1955 году в ускорительных экспериментах, а уже в 90-х годах физикам удалось создать связанное состояние антипротона и позитрона $-$ антиводород. На сегодняшний день антивещество является самой дорогой субстанцией на Земле.
Работы по “строительству” КЭД велись в 1930-40-е годы. В конце 40-х годов Швингер, Томонага, Фейнман и Дайсон завершили её формулировку. Важно, что КЭД $-$ обменная теория, то-есть электромагнитное взаимодействие заряженных частиц описывается в ней обменом виртуальными фотонами. Тут обязательно нужно отметить огромный вклад Ричарда Фейнмана. Он придумал особый язык, который стал общеупотребимым в физике высоких энергий $-$ язык диаграмм Фейнмана. С помощью этих диаграмм можно сколь угодно точно описать процесс. В первом приближении рассеяние электрона на электроне описывается обменом одним виртуальным фотоном, во втором $-$ двумя, и так далее. Начиная с четвертого порядка становится возможным нарисовать диаграмму, в которой виртуальный фотон рождает виртуальную электрон-позитронную пару, которая затем аннигилирует. Этот крохотный эффект проявляется, например, в сдвиге спектральных линий атома водорода (лэмбовский сдвиг), который наблюдается экспериментально. Из-за того, что константа связи (заряд) мала, каждая последующая диаграмма вносит всё меньший и меньший вклад в ответ, таким образом можно постепенно приближаться к правильному решению. На сегодняшний день КЭД $-$ самая хорошо проверенная теория. Расхождения теории и эксперимента не обнаружено на уровне относительной ошибки $10^{-10}$.
Перейдем к устройству атомного ядра. Были большие подозрения в том, что это составной объект. Тот факт, что Резерфорду удалось выбить из ядра азота протон, указывал на присутствие протонов в ядрах. Они могли бы определять заряд ядра. При этом известно, что масса ядра, выраженная в массах протона, всегда примерно равна целому числу, которое, однако, больше чем заряд ядра в единицах заряда протона. Это наводило на мысль, что протоны лишь один из составляющих ингредиентов ядра. Предполагали, что оно могло бы состоять из протонов и электронов. Но за счет каких сил они удерживаются внутри ядра? Более того, был известен факт, ядро азота имеет массу 14 и заряд 7. Значит, оно должно состоять из 14 протонов и 7 электронов. И те и те являются фермионами со спином одна вторая. Соответственно, спин такого ядра обязан быть полуцелым, а эксперименты показали, что он целый. Это была так называемая “азотная катастрофа”.
В 1930 году Вальтер Боте обнаружил, что при бомбардировке бериллия $\alpha$-частицами возникает сильное проникающее излучение, способное преодолеть такую преграду, как слой свинца толщиной в 10–20 см. Изучением этого излучения занялись супруги Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, которое использовали интенсивный поток $\alpha$-частиц, испускаемых радиоактивным полонием, Так как излучение было нейтральным, супруги предположили, что это $\gamma$-лучи большой энергии. Но определение энергии по пробегам в разных веществах давало резко противоречивые значения. В частности, Жолио-Кюри обнаружили, что если на пути излучения бериллия поставить парафиновую пластину (или другое вещество с большим содержанием водорода), то ионизирующая способность этого излучения резко возрастает, а пробег уменьшается.
За исследование нового излучения взялся и англичанин Чедвик, который работал в лаборатории Резерфорда. Он знал гипотезу, высказанную Резерфордом еще в 1920-м году, о возможном существовании нейтральной частицы с массой примерно равной массе протона. В 1932 году Чедвик сообщил, что приложение гипотезы Резерфорда приводит к полной согласованности всех данных по бериллиевому излучению. Тем самым, он стал открывателем новой частицы, нейтрона.
После открытия нейтрона идея присутствия его в ядре висела в воздухе. Она была опубликована практически одновременно несколькими физиками (в частности, Гайзенберном, Иваненко и др.). Сейчас она общецпринята. Конечно, задача полного описания атомного ядра и до сих пор до конца не решена, в частности, потому, что это здача многих тел, которая и в классической физике решается лишь приближенно. Поэтому даже сейчас физика ядра $-$ своеобразный “Дом моделей”. И по сей день в ядерной физике остается много нерешенных задач. Но в этой лекции для нас куда более важный вопрос $-$ какие силы удерживают положительно заряженные (и расталкивающиеся) протоны и электрически нейтральные нейтроны внутри ядра? По аналогии с КЭД, которая описывает электромагнитные силы как обмен фотонами, Игорь Евгеньевич Тамм в 1934 году попытался рассмотреть новые силы как обмен массивными парами электрон-нейтрино (о нейтрино мы поговорим позже). Силы действительно возникли, но их свойства и интенсивность делали их непригодными на роль ядерных сил. Все же, главное в работе Тамма было то, что обмен частицами с массой (а не только безмассовыми фотонами) тоже может вызывать взаимодействие. Зная об этом, японский физик Хидэки Юкава в 1935 году пошел чуть дальше и оценил массу частицы, которая могла бы быть переносчиком ядерных взаимодействий. Она оказалась средней между массами протона и электрона, примерно в 5-10 раз легче протона. Поэтому Юкава назвал ее мезотроном ("мезос" по-гречески "средний"), но название быстро сократили до мезона. Поиски этой частицы начались в космических лучах. Вскоре, в 1935 году, Андерсон и Нидермайер обнаружили в космических лучах частицу с подходящей массой, раз в 200 тяжелее электрона (105 МэВ). Считая ее частицей Юкавы, к ней приложили название "$\mu$-мезон" (сейчас ее называют мюоном). Но дальнейшее изучение этой частицы показало, что нашли не то, что искали. Мюон оказался просто тяжелым аналогом электрона. Зачем он нужен природе, никто не понимал (да и сейчас не очень понятно). Характерно восклицание Исидора Раби: “Who ordered that? / Кто это заказывал?”. А настоящую частицу Юкавы, пи-мезон, нашли уже после войны, также в космических лучах, при помощи метода фотоэмульсий. В 1947 году Перкинс установил, что некоторые частицы разрушают ядра, и в этом же году Пауэлл открывает $\pi$-мезон с массой 140 МэВ.
Теперь перейдем к $\beta$-распаду. С ним была связана вот какая загадка. Еще в 1914 году Чедвик показал, что электроны, испускаемые при $\beta$-распаде, имеют непрерывный спектр. С точки зрения законов сохранения энергии такого быть не могло, если испускался один электрон. Тогда бы (как это происходит с $\alpha$-частицами и фотонами) энергия должна была быть дискретной, а спектр линейчатым. В 1930 году Вольфганг Паули высказывает смелую гипотезу о существовании очень лёгкой нейтральной частицы, которая испускается в $\beta$-распаде вместе с электроном. Паули назвал её нейтроном, но прижилось название, предложенное Ферми $-$ нейтрино. Он же, используя формальную аналогию с излучением фотонов, построил первую теорию $\beta$-распада. С открытием нейтрона стало ясно, что существует слабое взаимодействие, в котором участвуют протон, электрон, нейтрон и нейтрино. Название слабое взаимодействие получило из-за того, что константа Ферми, играющая роль заряда, очень мала. Поэтому процессы, протекающие под действием слабого взаимодействия, имеют маленькую вероятность, а частицы, распадающиеся под действием слабых сил, большое время жизни.
Сам Паули не верил, что нейтрино будет когда-либо в обозримом будущем найдено, но он ошибался. Впрочем, ошибались и Резерфорд с Бором, которые скептически относились к перспективам практического использования ядерной энергии в “народном хозяйстве”. Однако война буквально заставила сделать атомную бомбу, а по ходу работы над ней, в декабре 1942 года, группа Ферми создает атомный реактор. Именно реактор как мощнейший источник нейтрино (точнее, антинейтрино) и использовали Коуэн и Райнес в 1955 году для детектирования этой частицы в процессе обратного $\beta$-распада. Когда антинейтрино ударяет в протон, образуются позитрон и нейтрон. Установка Райнеса и Коуэна искала совпадения двух $\gamma$-квантов, один от позитрон-электронной аннигиляции и другой от захвата нейтрона кадмием. Она детектировала приблизительно три нейтрино в час.
Итак, по состоянию на середину 50-х годов, казалось бы, у физиков всё было в руках: протон и нейтрон, пи-мезоны разных зарядов, электрон с позитроном, фотон, нейтрино, и даже зачем-то тяжелый аналог электрона. Но это еще не вся картина. Уже с 1947 года в экспериментах с космическими лучами стали появляться указания не какие-то новые частицы. В 50-х годах стала быстро развиваться ускорительная техника, что позволило использовать ускорители для более успешного поиска и изучения новые частицы. И тут их стали открывать одна за одной. С ними были связаны загадки. С одной стороны, частицы рождались довольно интенсивно, с другой стороны, они распадались на сильно взаимодействующие частицы (адроны, как их теперь называют), но время жизни оказалось большим, характерным для слабого взаимодействия. И рождались такие частицы парами. За необычную совокупность свойств эти частицы стали называть “странными”. В 1953 году Гелл-Манн и Нишиджима независимо предлагают, что есть новое квантовое число, названное странностью, которое сохраняется в сильных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых. А затем стали обнаруживаться еще более удивительные частицы, которые и на частицы-то были не похожи $-$ так называемые резонансы. Из соотношения неопределенности следует, что всякое короткоживущее состояние обладает некоторым разбросом энергии. Резонансы, как оказалось, распадаются практически мгновенно, так что их массы размазаны в полосе с большой шириной. И все же их надо рассматривать наравне с другими частицами.
С этим “зоопарком” надо было что-то делать. И вот в 1961 году Гелл-Манн и Нееман тоже независимо, предлагают классификацию адронов на основе групповой симметрии $SU(3)$. Я не буду сейчас объяснять, что это такое. Отмечу лишь, что за век до этого Менделеев, предлагая свой периодический закон, оставил некоторые клетки таблицы пустыми, для еще не найденных элементов. Аналогично, в схеме Гелл-Манна$-$Нейемана были пустые места. Схема предсказывала для новой частицы массу и некоторые другие ее свойства, в том числе ее каскадный распад. И такая частица, $\Omega^{-}$-гиперон, была довольно быстро найдена. Вот его первая фотография.
В 1964 году Гелл-Манн, а также Цвайг, придумывают кварки $-$ точечные частицы со спином $1/2$ и дробным (!) электрическим зарядом, из которых должны состоять все адроны $-$ сильно взаимодействующие частицы. Гипотеза трёх кварков (легкие $u$, $d$ и более массивный $s$) объясняла странность, разницу масс, спин и четности состояний. Но было и много открытых вопросов. Например, как наблюдать кварки? Почему барионы, состоящие из трех кварков одного типа (физики говорят, одного аромата) нарушают принцип Запрета Паули?
Для ответа на последний из вопросов Хан и Намбу, и независимо от них Струминский, придумывают цвет $-$ новую квантовую характеристику, которая может иметь три значения, что снимает запрет Паули. Позднее были предложены и другие объекты $-$ глюоны, которые переносят сильные взаимодействия между кварками и сами тоже обладают цветовыми зарядами. Из несколько других соображений Джеймс Бъоркен предлагает изучать так называемое глубоко-неупругое рассеяние электронов на нуклонах, указав, что оно может выглядеть как взаимодействие с точечными зарядами. Эксперименты подтвердили такое ожидание. Эта ситуация напоминает, как Резерфорд на полвека раньше открыл атомное ядро, которое выглядело точечным в сравнении с размерами всего атома. А на роль точечных зарядов внутри нуклона как раз подошли кварки.
После этого Гелл-Манн с сотрудниками для описания взаимодействия кварков и глюонов предложили новую теорию $-$ Квантовую Хромодинамику (КХД), которая, как и Квантовая Электродинамика, является квантовой теорией поля, но довольно специфической (так называемые теории типа Янга$-$Миллса). При этом оказалось, что кварки и глюоны обладают очень интересными и непривычными свойствами. В отличие от обычных электрических зарядов на малых расстояниях (или при высоких энергиях, что, собственно, одно и то же $-$ вспомним волны де Бройля) кварки ведут себя почти как свободные частицы, Это явление получило название асимптотической свободы, за его открытие Гросс, Полицер и Вильчек получили впоследствии Нобелевскую премию.
Все наблюдаемые адроны бесцветны, хотя внутри их есть цветные кварки и глюоны. Электрические заряды тоже могут образовать нейтральную систему, но их можно разделить. А вот Кварк (да и глюон) невозможно выдрать из адрона. Сила взаимодействия растет с расстоянием, будто бы натягивается струна, которая в какой-то момент рвется, при этом образуется кварк-антикваркавая пара, и у вас в руках появятся два адрона, но снова бесцветных. Однако кварки и глюоны оказывается можно опосредованно наблюдать как струи адронов. События с двумя такими струями были обнаружены в процессе аннигиляции электрона и позитрона в адроны, который происходит через превращение заряженных электрона и позитрона в пару тоже заряженных кварка и антикварка. А в 1979 году на ускорителе PETRA (DESY, Германия) фиксируются трехструйные события, которые дают экспериментальное свидетельство испускания глюона такой кварк-антикварковой парой.
Вернемся снова к нейтрино. Они образуются в различных распадах. В $\beta$-распаде нейтрино (точнее, антинейтрино) появляется в паре с электроном, а в распаде пи-мезона - в паре с мюоном. Бруно Понтекорво (итальянский физик, сбежавший в СССР) предположил, что нейтрино в этих распадах могут быть разными, одно электронное, а другое мюонное. Такая гипотеза подтвердилась в 1962 году, когда Ледерман, Шварц и Штейнбергер, используя пучки нейтрино (или антинейтрино), полученных на ускорителе при распадах $\pi$-мезонов, показали, что при взаимодействии с веществом они образуют только мюоны, но не электроны (или позитроны). Кстати, идея создания нейтринных пучков тоже принадлежала Понтекорво. То есть электронные и мюонные нейтрино суть разные частицы.
Открытие еще более тяжелого аналога мюона и электрона $-$ $\tau$-лептона на установке SPEAR в Стенфорде я, честно говоря, вставил на этот слайд чуть раньше, чем это нужно в повествовании. Открытие сделано в 1975 году и мы к его значимости еще вернемся. А сейчас поговорим чуть-чуть о развитии так называемой электрослабой теории. Идея, что слабые взаимодействия $-$ результат обмена массивными частицами, привлекательна, но такие теории неперенормируемы $-$ они приводят к расходимостям, т.е. к бесконечным значениям при расчетах физических величин. Тем не менее, в 1961 году Шелдон Глэшоу приводит аргументы в пользу того, что должен существовать не только заряженный, но и нейтральный переносчик слабых сил. В 1964 году Браут, Энглер и независимо Хиггс придумывают трюк: если взять теорию с безмассовыми переносчиками взаимодействия (как в электродинмике), а затем включить некоторое глобальное скалярное поле с несколько экзотическими характеристиками, то это поле будет нарушать исходные свойства симметрию теории, оно будет “замедлять” и $W^{\pm}$, и $Z^{0}$, “давая им массу”. Поскольку в слабых взаимодействиях есть не только нейтральный, но и заряженный переносчик, их нельзя рассматривать отдельно от электромагнитных взаимодействий. Поэтому теорию, комбинирующую эти два типа взаимодействий называют электрослабой. Фотон -- неотъемлемая часть такого взаимодействия, и его удается оставить безмассовым. Самосогласованную теорию электрослабого взаимодействия независимо предложили в 1967-м Вайнберг и Салам. А в 1972 г. т'Хофт и Вельтман показывают, что такая теория перенормируема. Косвенное подтверждение существования $Z^{0}$-бозона обнаруживают в ЦЕРНе в 1973 году, показывая, что мюонное нейтрино может рассеиваться на веществе без образования заряженного моона. Позднее, в 1983 году, $W^{\pm}$, и $Z^{0}$ были обнаружены, тоже в ЦЕРНе, на ускорителе SppS.
Еще один факт: в 1964 году Фитч и Кронин, изучая распады нейтральных $K$-мезонов, экспериментально показывают, что античастицы ведут себя чуть иначе чем частицы, нарушается так называемая комбинированная четность. А в 1973 году японские теоретики Кобаяши и Маскава указывают, что если существует 6 (или больше) разных типов кварков, то это экспериментальное свидетельство можно объяснить. Собственно, так формируется Стандартная Модель какой мы ее знаем., дальнейшие почти 40 лет заняло её триумфальное подтверждение.
Открытие пика, связанного с $c$-кварком, группами Тинга и Рихтера в некотором смысле вызвало шок, но не потому, что его нашли (уж очень во многих "местах" был нужен $c$-кварк), шок вызвала очень узкая ширина этого пика, которая явилась проявлением асимптотической свободы. Спектроскопия чармониевых состояний (связанных состояний c-кварка и соответствующего антикварка) оказалась удачным полигоном для тестирования КХД. После открытия $\tau$-лептона многие поверили, что и третье поколение кварков может существовать. Леон Ледерман и его группа открывают $b$-кварк в 1977 году. Ботомоний (аналог чармония) оказывается тоже узким, добавочно подтвердив асимптотическую свободу.
Масса калибровочных бозонов столь велика, что для их открытия потребовалась постройка огромных ускорителей $-$ адронных коллайдеров. В ЦЕРНе строили “машину” SppS, в США $-$ Тэватрон. Большие ускорители требовали больших и универсальных экспериментальных установок-детекторов. На SppS такими экспериментами были UA1 и UA2. Именно в них были впервые обнаружены калибровочные бозоны. Ван дер Меер и Рубиа, игравшие ключевую роль в этих экспериментах, были последним примером персонального награждения Нобелевской премией экспериментаторов физики высоких энергий. Тэватрон, протон-антипротонный коллайдер, опоздал к открытию калибровочных бозонов, но оказался удачным местом для поиска $t$-кварка. Дело в том, что в Стандартной Модели массы истинно элементарных частиц являются свободными параметрами, которые невозможно сегодня предсказать. Однако их можно оценить из таких экспериментов, где они сами на проявляются, но оказывают косвенное влияние. То, что масса $t$-кварка огромна, стало понятно из наблюдения за свойствами нейтральных мезонов с открытой прелестью, т.е. мезонов, в которых лишь содержится лишь один $b$-кварк (или соответствующий антикварк). Не обошлось и без научных неудач: специально построенный для поиска $t$-кварка ускоритель Тристан (Япония) попал в "пустыню", не открыв ничего стоящего. Масса $t$-кварка, открытого лишь в 1995 году экспериментами CDF и D0 на Тэватроне, оказалась примерно в 180 раз больше массы протона.
Последним недостающие звеном Стандартной Модели был бозон Хиггса. Огромная надежда на его открытием была связана с Большим Электрон-Позитпонным коллайдером (LEP) в ЦЕРНе. Увы, надежда тогда не оправдалась, немного не дотянули по энергии. Зато данные LEP, а также стэнфордского линейного ускорителя (SLAC), по сечению рождения $Z^{0}$-бозона позволили установить, что существует всего три типа легких нейтрино.
Открытие бозона Хиггса стало в дальнейшем основной задачей первого этапа работы Большого Адронного Коллайдера. Четвёртого июля 2012 года эксперименты ATLAS и CMS торжественно объявили об открытии частицы похожей на хиггсовский бозон. Сейчас, по прошествии нескольких лет, свойства этого бозона изучены более детально, и до сих пор он проявляет себя в согласии с предсказаниями теории.
Таким образом, можно заявить, что все частицы Стандартной Модели открыты, хотя возможно, например, открытие добавочных Хиггсовских бозонов. В этой лекции описаны приблизительные рамки этой Модели. Сегодня она настолько хорошо проверена, что пора бы называть её Стандартной Теорией, а не моделью (некоторые авторы уже так и делают). Но в качестве послесловия хочу отметить, что существуют указания на то, что есть физика и за пределами Стандартной Модели. Эти указания приходят в первую очередь из астрофизических наблюдений: Барионная асимметрия Вселенной и загадка Тёмной Материи, вот, пожалуй, основные аргументы в пользу существования Новой Физики. Что ж, будем искать её, и впрямую, и косвенно.
(Редакция Якова Исааковича Азимова)