Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посетите Сервер по Физике Обратите внимание!
 
  Наука >> Физика >> Общая физика >> Физика микромира >> Физика высоких энергий | Популярные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

Популярные заметкиБудущее физики элементарных частиц

Научные статьиФизика элементарных частиц и t-кварк: 397

НовостиЕе звали Икс

НовостиНовые свидетельства нейтринных осцилляций

Популярные статьиПуть в науку и далее: I. Мой учитель С.Н. Вернов

Популярные статьиСовременная астрономия: новые направления и новые проблемы: Введение

Популярные статьиСовременная астрономия: новые направления и новые проблемы: Введение

Популярные заметкиК открытию массы нейтрино: "Первые результаты работы Нейтринной обсерватории Садбери."

Популярные заметкиКак надо и не надо бороться с антинаукой.

НовостиРазгадывая величайшую в мире загадку

Популярные заметкиО российских конференциях по холодному синтезу и трансмутации ядер

НовостиМировая линия Гамова

КнигиФизические основы строения и эволюции звезд: fig50

Популярные статьиЛауреаты Нобелевской премии 1999 года по физике - Г.'т Хофт и М. Велтман: Часть 3

Популярные статьиЗаконы физики в космосе

Обзорные статьиА.Н. Тихонов. Молекулярные моторы. Часть 2. Молекулярные основы биологической подвижности

КнигиСофронова Е.И. Где ты моя Родина?

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, Mt > 62 ГэВ/c2 (из вероятностей распада промежуточного бозона $W^\pm$). 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:
$t \to W^+b , \bar t \to W^- \bar b$, (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 $\cdot$ 10-12 c. Нетрудно оценить длину пробега таких частиц до распада:
$l \simeq 1,5 \cdot 10^{-12}c \simeq 4,5 \cdot 10{-2} см.$(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.
Рис. 3. Схематическое изображение процесса рождения пары кварков $t\bar t$ . 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 $\bar t$-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 $\pm$ 13) ГэВ/c2 (CDF);
Mt = (199 $\pm$ 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 $Z \to b\bar b$, 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 $Z \to t\bar t$ , 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 $Z \to b\bar b$ . Отношение вероятности этого распада к суммарной вероятности распада Z по всем адронным каналам обозначается Rb 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 $\pm$ 0,0016 (13)

при Rb (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 Rb . 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 $Z \to b\bar b$ .

Литература

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


    Написать комментарий
     Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования