На информационном ресурсе применяются рекомендательные технологии (информационные технологии предоставления информации на основе сбора, систематизации и анализа сведений, относящихся к предпочтениям пользователей сети "Интернет", находящихся на территории Российской Федерации)

Свежие комментарии

  • Владимир
    Риск снижается, но все равно в итоге приводит к 100 % смертности.Инфаркт миокарда ...

Открытию бозонной триады — 40 лет

Симон ван дер Мер и Карло Руббиа

3 июля 1983 года в ЦЕРНе был завершен один из важнейших и в то же время наиболее трудоемких экспериментов в истории физики высоких энергий. При анализе результатов столкновений протонных и антипротонных пучков, разогнанных до энергии 270 ГэВ, ученые получили убедительные доказательства реальности промежуточных векторных бозонов, чье существование вытекало из развитой в 1960-е годы единой теории электрослабых взаимодействий.

Уже на следующий год руководитель эксперимента Карло Руббиа и один из его ключевых участников Симон ван дер Мер стали нобелевскими лауреатами. Сорокалетний юбилей этого события вполне заслуживает рассказа о том, что, почему и как было тогда сделано в Женеве.

Я начну свой рассказ не с промежуточных векторных бозонов. Сорокалетие их открытия дает хороший повод поговорить о различных способах предсказания новых объектов физики частиц. Грешно было бы его упускать.

Изобретательность от безысходности

Физики начали выдвигать гипотезы о существовании ранее не наблюдавшихся в эксперименте частиц еще в первой половине 1930-х годов. Начало этому благородному — хотя и сильно рискованному — делу положил один из отцов-основателей квантовой механики Вольфганг Паули. Причем сделал он это без всякого формально-математического обоснования и в каком-то смысле просто от отчаяния.

Случилось это так. Уже во втором десятилетии прошлого века экспериментаторов стало беспокоить странное поведение электронов, вылетающих из нестабильных ядер при бета-распаде. Экспериментальные данные показывали, что кинетическая энергия этих частиц изменяется в довольно широких пределах. В то же время появлялось все больше и больше оснований считать, что такие ядра теряют энергию дискретно и одними и теми же порциями. Но в этом случае каждый конкретный вид бета-распада вроде бы должен генерировать электроны одинаковой энергии, а этого не происходило. Аналогично выглядело и сравнение угловых моментов, которые тоже не сохранялись.

В принципе, эти аномалии можно было объяснить несоблюдением фундаментальных законов сохранения, но почти все физики считали это чрезмерной жертвой. Ситуацию спас Вольфганг Паули, тридцатилетний, но уже знаменитый профессор теоретической физики швейцарского Федерального технологического института в Цюрихе. В качестве «крайнего средства» (его собственные слова) спасения законов сохранения энергии и углового момента Паули допустил, что внутри ядра скрываются электрически нейтральные легкие частицы с половинным спином. Эти гипотетические лептоны он предложил называть нейтронами. Согласно его гипотезе, именно они уносят с собой остаток потерянной ядром энергии, поэтому в каждом акте бета-распада сумма энергий этой частицы и электрона должна быть постоянной.

Паули понимал, что его идея очень уязвима для критики. Впервые он сообщил о ней в письме от 4 декабря 1930 года, адресованном специалистам по радиоактивности, собравшимся в Тюбингене, особо подчеркнув, что не счел возможным публиковать свою гипотезу в научном журнале. Неформальный характер этого послания выражен даже в обращении «Дорогие радиоактивные дамы и господа!». Признавая, что его предположение выглядит «почти невероятным», Паули все же попросил коллег подумать, как обнаружить гипотетическую частицу в эксперименте.

Вольфганг Паули, Вернер Гейзенберг, Энрико Ферми

Лингвистическое нововведение Паули, строго говоря, принадлежало не ему. О нейтронах в 1920 году говорил Резерфорд — в знаменитой Бейкеровской лекции, где он впервые назвал ядро водорода протоном. Правда, отец-основатель ядерной физики понимал под нейтроном не самостоятельную частицу, а компактную комбинацию протона и электрона. Впрочем, в плане названия он тоже не был первым — его в 1899 году придумал австралийский физик Уильям Сазерленд (William Sutherland), который ввел его для обозначения гипотетических дублетов отрицательных и положительных электронов (и в этом же смысле его вслед за Сазерлендом употреблял знаменитый немецкий химик Вальтер Нернст, который писал о нейтронах в опубликованной в 1903 году монографии «Теоретическая химия»).

Трудно сказать, знал ли сам Паули о предшествующих появлениях термина «нейтрон» в научной литературе, но в любом случае предложенное им название скоро поменяло адресата, поскольку нейтроном стали именовать нейтральный аналог протона, открытый в 1932 году сотрудником Кавендишской лаборатории Джеймсом Чедвиком. А вот сама идея Паули оказалась исключительно плодотворной. В 1933–34 годах великий итальянец Энрико Ферми разработал математическую теорию бета-распада с участием частицы, предложенной Паули, которую Ферми стал называть нейтрино (с подачи своего друга и коллеги Эдоардо Амальди). При этом он совершенно по-новому объяснил ее появление. Если Паули считал, что его гипотетическая частица присутствует в ядре в готовом виде, то Ферми предположил, что нейтрино рождается одновременно с превращением одного из внутриядерных нейтронов в протон и электрон. Протон остается в составе дочернего ядра с возросшим на единицу атомным номером, а электрон и нейтрино вылетают в окружающее пространство. Ферми также постулировал, что масса нейтрино равна нулю (откуда следует, что оно всегда движется со скоростью света) и что для его возникновения не нужны посредники в виде каких-либо вспомогательных частиц.

Сам Паули долгое время считал, что предсказал частицу, которая настолько слабо взаимодействует с веществом, что ее невозможно обнаружить в эксперименте. И действительно, его гипотеза нашла подтверждение лишь через четверть века после ее выдвижения. В 1955–56 годах американские физики под руководством Клайда Коуэна (Clyde Cowan) и Фредерика Райнеса нашли следы нейтрино в излучении одного из реакторов ядерного комплекса «Саванна-Ривер» в штате Южная Каролина, о чем известили Паули специальной телеграммой. В 1995 году Райнес получил за это Нобелевскую премию, до которой не дожил Коуэн. Сейчас в мире существует множество нейтринных детекторов, которые разными способами регистрируют эту некогда неуловимую частицу. Но это уже совсем другая история.

Вторую частицу предсказал основатель квантовой электродинамики Поль Адриен Мари Дирак. В сентябре 1931 года он опубликовал статью с утверждением, что из развитой им четырьмя годами ранее релятивистской версии квантовой механики электрона вытекает существование частиц, которые ничем не отличаются от электронов, за исключением знака электрического заряда. Он пришел к этой гипотезе после длительных попыток дать физическую интерпретацию состояниям с отрицательной энергией, которые неизменно появлялись при решении его великого уравнения. Дирак вполне логично назвал эти гипотетические частицы антиэлектронами.

В отличие от Паули, Дирак узнал о подтверждении своей экзотической гипотезы почти мгновенно. Уже в декабре 1931 года молодой американский физик Карл Андерсон опубликовал в журнале The Science News-Letter фотографию трека очень легкой частицы с положительным зарядом, снятого в камере Вильсона. Эта фотография была сделана еще до публикации статьи Дирака и никак с ней не связана. Поставивший заметку Андерсона в номер редактор предложил назвать эту частицу позитроном. Последующие исследования как самого Андерсона, так и его европейских коллег Патрика Блэкетта и Джузеппе Оккиалини, позволили установить, что свойства позитрона полностью совпадают с теоретически выведенными свойствами дираковского антиэлектрона. В 1936 году Андерсон получил за свои исследования Нобелевскую премию по физике (к слову, всего через три года после Дирака).

Рожденные новой моделью

Третью частицу в 1934 году измыслил 27-летний японский физик-теоретик Хидэки Юкава — причем совершенно иным путем, нежели Паули и Дирак. Узнав в 1932 году об открытии нейтрона, Юкава стал думать о создании теории, объясняющей ядерные силы — иначе говоря, механизмы взаимодействия между нуклонами (протонами и нейтронами), входящими в состав атомных ядер. Первые два года этих размышлений оказались практически бесплодными. Однако летом 1934 года в его руки попал итальянский журнал Nuovo Cimento, где была опубликована статья Энрико Ферми с теорией бета-распада. Она натолкнула Юкаву на мысль, что внутриядерные нуклоны «склеены» друг с другом благодаря обмену частицами еще неизвестной природы, несущими электрические заряды обоих знаков и той же абсолютной величины, что заряд протона и электрона. Испуская положительно заряженную частицу этого рода, протон превращается в нейтрон; аналогично, нейтрон может испустить частицу с отрицательным зарядом и превратиться в протон. Таким образом, атомное ядро в теории Юкавы оказалось динамической системой, компоненты которой постоянно переходят друг в друга. Для своих гипотетических частиц Юкава выбрал название вполне в духе времени — U-кванты (то есть, кванты U-поля).

Хидеки Юкава с Альбертом Эйнштейном и Джоном Уилером

Юкава сделал больше. Ему, как и другим физикам, было очевидно, что радиус действия ядерных сил должен совпадать с размерами самих ядер. К тому времени они были надежно измерены в экспериментах — около 10−15 метра. Используя квантовомеханическое соотношение неопределенностей для энергии и времени, Юкава пришел к выводу, что масса U-квантов должна приблизительно в двести раз превышать массу электрона (или, что то же самое, десятикратно уступать массе протона. Иными словами, новые частицы должны тянуть примерно на 100 МэВ. Юкава также предложил со временем ставшую знаменитой формулу для потенциала U-поля:

\[V=-g^2 \frac{e^{-mr}}{r},\]

где \(g^2\) — константа взаимодействия, аналогичная по физическому смыслу постоянной тонкой структуры в квантовой электродинамике, \(m\) — масса U-частицы в системе единиц, где постоянная Планка и скорость света считаются равными единице (в этой системе размерность массы равна обратной размерности длины), \(r\) — расстояние. Из этой формулы сразу видно, что межнуклонные взаимодействия притягивают их друг к другу (потенциал отрицателен!), что при \(mr\) больше единицы сила этого притяжения падает по экспоненте и что радиус этой силы тем меньше, чем тяжелее U-частицы. Если допустить, что их масса равна нулю, получим обычный кулоновский потенциал электромагнитного поля, где переносчиками взаимодействия служат фотоны.

Юкава не остановился и на этом. Он не забыл отметить, что предсказанные им частицы в свободном состоянии наверняка живут очень недолго, и именно поэтому еще не обнаружены. Он даже предсказал, что их скорее всего удастся зарегистрировать при исследовании высокоэнергетичных превращений, вызванных действием космических лучей на земную атмосферу.

Юкава представил свою теорию в написанной в ноябре 1934 года статье, которая в следующем феврале после неоднократного редактирования появилась в малочитаемом в США и Европе журнале Proceedings of the Physico-Mathematical Society of Japan (H. Yukawa, 1935. On the Interaction of Elementary Particles). Стараясь привлечь внимание к своей работе, он послал репринты нескольким известным физикам, включая Роберта Оппенгеймера, но реакция была почти нулевой. Ему выпала возможность справиться о мнении Нильса Бора, когда тот посетил Японию, однако великий датчанин ограничился тем, что спросил своего молодого коллегу, нравится ли тому изобретать несуществующие частицы. Если учесть, что к тому времени позитрон был уже открыт в эксперименте, а в существовании нейтрино мало кто сомневался, такая реакция выглядит, мягко говоря, не слишком серьезной. Впрочем, Бору случалось ошибаться и в других вопросах.

Карл Андерсон и Сет Неддермайер

Однако вскоре фортуна стала склоняться на сторону Юкавы. В мае 1937 года Андерсон и его аспирант Сет Неддермайер сообщили в журнале Physical Review о наблюдении (все в той же камере Вильсона, установленной в горной обсерватории на высоте 4300 метров над уровнем моря) отрицательно заряженной частицы, чья масса сильно превышала электронную, но была в разы меньше протонной (C. D. Anderson, S. H. Neddermeyer, 1936. Cloud Chamber Observations of Cosmic Rays at 4300 Meters Elevation and Near Sea-Level). Андерсон предложил назвать ее мезотоном (были и другие имена, включая более известный мезотрон), но в конце концов победила укороченная версия — мезон (от греческого «мезос» — промежуточный, средний).

Первая регистрация мюона

Это открытие привлекло внимание и к теории Юкавы; в частности, Оппенгеймер перечитал полученный от Юкавы препринт и сообщил о его модели в Physical Review. Несколько лет новая частица считалась возможной инкарнацией U-кванта, но эта интерпретация, как в 1966 году едко заметил Роберт Оппенгеймер, оказалась десятилетней шарадой. В 1947 году английский физик Сесил Пауэлл и члены его группы обнаружили (все в тех же следах космических лучей) положительные и отрицательные частицы Юкавы, а тремя годами позже была открыта и ее нейтральная версия. Эта тройка частиц получила название пи-мезонов, они же пионы. Мезотон Андерсона и Неддермайера оказался членом совсем другого семейства обитателей микромира — не адроном, а лептоном, частицей, вообще не участвующей в сильных ядерных взаимодействиях. Вряд ли стоит напоминать, что его прежнее название «мю-мезон» уже давно сократилось до мюона. Эта история полна любопытных нюансов с целым рядом неназванных здесь участников, но я вынужден оставить их за рамками статьи. Ограничусь сообщением, что Хидэки Юкава в 1949 году получил стопроцентно заслуженную им (и не только за пионы) Нобелевскую премию.

Итак, мы имеем дело с тремя самыми известными предсказаниями новых частиц, обнародованными в первой половине 1930-х годов. Точности ради, было и кое-что еще. В 1935 году необычайно талантливый, но невезучий швейцарский физик и математик барон Эрнст Карл Штюкельберг (его полное имя куда длиннее) предложил теорию ядерных сил, основанную на обмене частицами с единичным спином, которые сейчас называют векторными бозонами. Его соотечественник Вольфганг Паули не оставил от этой идеи камня на камне, так что Штюкельберг ее далее не разрабатывал. Впрочем, предложенные им частицы в любом случае не были аналогами пионов, поскольку те имеют нулевой спин и потому относятся не к векторным, а к псевдоскалярным бозонам. Однако модель Штюкельберга в определенном смысле возродилась в единой теории электрослабых взаимодействий, которые переносятся именно что векторными бозонами. Наконец, в 1938 году шведский физик Оскар Клейн рассмотрел модель слабых взаимодействий с настоящими векторными бозонами в качестве переносчиков. Эта идея в полном смысле слова оказалась пророческой.

Но вернемся к основной триаде — нейтрино, позитрону и U-кваркам. Первая гипотеза была типичным предположением ad hoc, выдвинутым для спасения закона сохранения энергии. Фактически по этому же разряду надо отнести и гипотезу Дирака — как уже говорилось, ему надо было найти физически осмысленную (и, главное, проверяемую в эксперименте) интерпретацию той шутки, которую сыграло с ним его уравнение. И только частицы Юкавы, они же пионы, появились на свет в контексте очень глубокой динамической модели ядерных сил, над которой он работал целых два года. Это принципиально разные пути «изобретения» частиц, в котором Бор упрекнул своего японского коллегу.

Система все превозмогает

В 1961 году теоретическая физика в лице ее блестящих представителей американца Марри Гелл-Мана и израильтянина Юваля Неэмана освоила еще один способ предсказания новых частиц. Несмотря на новизну его математической реализации, в принципе он имел весьма почтенный возраст. В его основе лежало конструирование классификационных систем, адекватно отражающих достаточно широкий спектр свойств изучаемых объектов. Такой подход еще в конце XVIII столетия очень эффективно развил великий французский естествоиспытатель Жорж Кювье. В 1798 году он опубликовал работу, в которой сформулировал так называемый принцип корреляции частей организма (кстати, насколько мне известно, это было первое употребление термина «корреляция» в научной литературе). Этот принцип утверждал, что органы живого существа соединены друг с другом сильными взаимосвязями. Развивая эту мысль, Кювье писал, что сравнительная анатомия достигла такого совершенства, что изучение одной единственной кости древнего животного, найденной при раскопках, нередко позволяет определить его место в системе анатомической классификации. Хотя практическое применение этого принципа оказалось не столь простым и успешным, как рассчитывал Кювье, ему все же удалось сделать целый ряд аккуратных палеонтологических предсказаний. Более того, идея корреляции органов со временем стала одним из основных рабочих правил палеонтологии.

Вероятно, в прошлом столетии самым весомым примером использования классификационной системы в качестве прогностического средства стали работы Дмитрия Ивановича Менделеева. На базе своей Периодической системы он предсказал существование и свойства одиннадцати элементов, которые со временем все были обнаружены в ходе лабораторных исследований. Этот блестящий успех не нуждается в комментариях.

Теперь совершим перескок к Гелл-Ману и Неэману. Они заметили, что совокупность открытых в эксперименте мезонов и барионов очевидным образом распадается на группы родственных частиц — мультиплетов. Например, как сейчас известно, самые легкие барионы и мезоны составляют два восьмеричных мультиплета, то есть два октета. Мезонный октет состоит из четырех каонов, трех пионов и одной эта-частицы, которая в начале 1961 года еще не была открыта. Аналогично, в октет барионов входят протон и нейтрон, три сигма-частицы, одна нейтральная лямбда-частица0) и пара кси-частиц. Члены каждого октета обладают более или менее близкими массами, но разными электрическими зарядами и разной странностью. Так, в барионном октете две частицы с нулевой странностью (протон и нейтрон) почти тождественны по массе, но протон несет один положительный элементарный электрический заряд, а нейтрон, в соответствии со своим названием, нейтрален. Три сигма-частицы и лямбда имеют странность −1, причем лямбда и одна из сигм нейтральны, а остальные две заряжены положительно и отрицательно (опять-таки одним элементарным зарядом). Наконец, пара кси-частиц обладает странностью −2, одна из них нейтральна, а вторая несет отрицательный заряд. Такова же структура мезонного октета, только в нем странность подгрупп составляет не 0, −1 и −2, как у барионов, а 1 (два каона), 0 (три пиона и эта-частица) и −1 (еще два каона). Это структурное единство особенно хорошо просматривается при графическом представлении обоих октетов, которое легко найти во множестве книг по физике элементарных частиц. Кстати, будет не лишним напомнить, что сильное взаимодействие вообще не различает частицы с неодинаковыми электрическими зарядами, они для него все, так сказать, на одно лицо.

Марри Гелл-Ман и Юваль Неэман

Марри Гелл-Ман и Ювал Неэман предположили, что за возникновение обоих этих мультиплетов, как и всех прочих, как раз и отвечает некая глубинная симметрия законов природы, и им удалось ее найти. Она оказалась обобщением симметрии непрерывной группы SU(2), которой физики уже много лет пользовались для описания спиновых квантовых чисел. Математически это связано с тем, что все неприводимые представления этой группы можно занумеровать одним целым или полуцелым числом, которое интерпретируется как значение спина, обычного или изотопического. Однако известные к тому времени адроны, чье количество уже перевалило за два десятка, имели изотопические спины 0, 1/2 или 1, поэтому упорядочить их на одной этой основе оказалось невозможным. Для полной классификации требовался еще один численный показатель.

Создатели новой классификации частиц как раз и решили воспользоваться для классификации адронов двумя квантовыми числами, для чего симметрию пришлось расширить. В результате они пришли к группе квадратных унитарных матриц размерности 3×3 с комплексными элементами и единичным определителем. Это обобщение группы SU(2) на трехмерную версию, которую еще в начале XX века изучил великий французский математик Эли Картан. Группа SU(3) замечательна тем, что любое из ее неприводимых представлений можно занумеровать упорядоченной парой натуральных неотрицательных чисел (mn). Если выбрать \(m=n=1\), получается восьмимерное представление, которое естественно сопоставить октету частиц — фигурально выражаясь, каждому измерению по частице. Поэтому SU(3) буквально напрашивалась на использование для классификации адронов.

Гелл-Ман для описания частиц использовал одну из возможных пар их квантовых чисел — изотопический спин и гиперзаряд. С таким же успехом можно было взять другую пару — странность и электрический заряд. В любом случае из представления (1, 1) получается октет барионов (плюс еще восемь антибарионов), и октет мезонов, о которых только что говорилось. Гелл-Ман назвал эту схему Восьмеричным путем (Eightfold way) — по аналогии с тем, который Будда указал как дорогу к нирване.

Гелл-Ман и Неэман опубликовали свои результаты в 1961 году, когда (как уже говорилось) число известных мезонов не превышало семи (M. Gell-Mann, 1961. The Eightfold Way: A theory of strong interaction symmetry, Y. Ne'eman, 1961. Derivation of strong interactions from a gauge invariance). Однако Гелл-Ман не побоялся предсказать существование восьмого мезона, соседа тройки пионов (аналогично лямбде и триплету сигма-частиц в барионном октете). В этом же году Луис Альварес с коллегами экспериментально доказали существование этой частицы и назвали ее эта-мезоном (обозначается греческой буквой η). Это был первый успех нового метода предсказания частиц.

Симметрия SU(3) также допускает существование десяти барионов с изотопическим спином 3/2, то есть уже не октета, а декуплета — ему соответствует представление (3, 0). К лету 1962 года экспериментаторы обнаружили девять крайне нестабильных частиц из семейства гиперонов со схожими массами (их называют резонансами). Гелл-Ман и Неэман предсказали и десятый резонанс с зарядом минус 1, проекцией изотопического спина 1/2, странностью минус 3 и массой около 1685 МэВ. Гелл-Ман выбрал для него имя Ω (омега-минус, или омега-минус гиперон). 31 января 1964 года Николас Самиос (Nicholas P. Samios) и его коллеги нашли следы распада этой частицы на одной из 50 тысяч фотографий, сделанных на новой пузырьковой камере Брукхейвенской лаборатории. Ее масса почти совпадала с расчетной — 1672 МэВ. Это стало триумфом систематики адронов, основанной на SU(3)-симметрии.

Барионный декуплет

Физическая природа обнаруженных симметрий поначалу оставалась совершенно загадочной. Она стала проясняться после того, как в 1964 году все тот же Гелл-Ман и его соотечественник Джордж Цвейг предложили теорию кварков. Из нее следует, что формирование мультиплетов, которым соответствуют различные представления группы SU(3), определяется кварковым составом входящих в них частиц. Так что здесь вновь работает определенная классификация (или, как предпочитают говорить специалисты, систематика), только уже не чисто формальная, а физически содержательная.

Эта систематика оказалась чрезвычайно конструктивной. Гелл-Ман и Цвейг «изобрели» всего лишь три типа кварков — или, как сейчас говорят, три аромата — u-кварк и d-кварк, чья странность равна нулю, и s-кварк с ненулевым значением странности. Для объяснения симметрий между известными к тому времени частицами этого было вполне достаточно. Однако через несколько месяцев после появления кварковой модели Джеймс Бьеркен и Шелдон Глэшоу в США и, независимо, Зиро Маки и Ясуо Хара в Японии, предположили существование четвертого кварка, чье место в системе, по их мнению, явно пустовало. Ему было приписано ненулевое значение нового квантового числа, которое Глэшоу весьма поэтично назвал очарованием, по-английски charm. В расширенной ими кварковой систематике очарованный c-кварк и странный s-кварк образовали кварковый дублет второго поколения, аналогичный предшествующему дублету u-кварка и d-кварка. Эта конструкция выглядела тем более логичной, что два поколения лептонов, электрон + электронное нейтрино и мюон + мюонное нейтрино, были уже известны. В конце 1973 года две группы американских физиков-экспериментаторов, возглавляемые Сэмюэлом Тингом и Бертоном Рихтером, обнаружили первую частицу, содержащую очарованный кварк и его антикварк. Еще два предсказанных заранее кварка третьего дублета, b-кварк и t-кварк, были обнаружены, соответственно, в 1977 и 1995 годах; лептоны третьего поколения были открыты в 1975 году (тау-частица) и в 2000 году (парное ей тау-нейтрино). Данные астрофизики с большой вероятностью свидетельствует, что других кварковых и лептонных дублетов природа не удосужилась создать. Если это так, то классификационную систему кварков и лептонов, начало которой было положено Гелл-Маном и Цвейгом на основе группы SU(3), следует считать завершенной. Однако физики-теоретики уже полвека экспериментируют с другими группами симметрии, и эти усилия еще могут принести немало сюрпризов.

Промежуточные векторные бозоны

В седьмом десятилетии прошлого века несколько титанов от теоретической физики развили принципиально новую фундаментальную теорию микромира, которая объединила в единой математической конструкции слабые и электромагнитные взаимодействия. Это и была та самая единая теория электрослабых взаимодействий, о которой говорилось во вводном абзаце. Главными актерами этой великой драмы идей стали американцы Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг и пакистанец Абдус Салам, чьи труды в 1979 году были увенчаны Нобелевской премией. Их теория в полной мере использовала симметрии двух непрерывных групп — уже упоминавшейся группы SU(2) и родственной ей более простой группы U(1), которая описывает симметрию электромагнетизма и изоморфна группе вращений евклидовой плоскости вокруг фиксированного центра. Однако эти симметрии были однюдь не единственным аппаратом новой теории — в отличие, скажем, от систематики Гелл-Мана и Неэмана. Она в полной мере использовала аппарат квантовой теории поля и в этом плане выглядела естественным развитием теории бета-распада Ферми и теории ядерных сил Юкавы. В частности, она ввела в работу модель обретения массы элементарными частицами, основанного на спонтанном нарушении симметрии скалярного квантового поля, получившего название поля Хиггса.

У меня нет возможности описывать здесь истоки и содержание электрослабой модели, как ее нередко для краткости именуют. Обо всем этом подробно рассказано в моей статье Именная частица, написанной в преддверии экспериментального открытия кванта хиггсовского поля, бозона Хиггса. Читатель которого заинтересует эта тема, найдет дополнительную информацию в статье Филип Андерсон: добрый и злой гений бозона Хиггса («Элементы», 04.07.2022). А пока что достаточно сказать, что в течение 1970-х годов электрослабую модель удалось интегрировать с теорией кварков на основе объединения всех трех унитарных симметрий U(1), SU(2) и SU(3) в единой математической архитектуре. Это объединение привело к созданию Стандартной модели элементарных частиц, которая вот уже полвека правит бал в фундаментальной физике.

Стандартная модель элементарных частиц

Однако даже самая красивая теория нуждается в подтверждениях — предпочтительно полных и разносторонних. Если говорить о единой схеме электрослабых взаимодействий, то здесь, как понимали все специалисты, золотым стандартом была бы экспериментальная идентификация предсказанных ею массивных частиц, которые делали возможным распространение этих взаимодействий в пространстве. В отличие от U-кварков Юкавы, электрослабая теория требовала существования не пары, а тройки таких частиц, двух заряженных и одной нейтральной (и это в дополнение к освященному временем носителю чисто электромагнитного взаимодействия, сиречь, фотону). Всем троим полагалось, подобно фотону, иметь единичный спин, то есть принадлежать семейству векторных бозонов. Уточнение «промежуточные» как раз и отражало их «служебную» роль переносчиков электрослабого взаимодействия. Согласно Стандартной модели, они должны были взаимодействовать как с лептонами, так и с кварками. Заряженные промежуточные векторные бозоны (ПВБ, их также называют калибровочными) были названы W+ и W, а нейтральный стал носить не менее гордое имя Z0.

Конечно, у электрослабой теории были и другие подтверждения. В 1971 году молодой голландский физик Герард 'т Хоофт показал, что она с большой степенью вероятности поддается перенормировке и, следовательно, позволяет получать физически разумные амплитуды вероятностей различных превращений частиц, исключающие дурные бесконечности. Вскоре он же вместе со своим научным руководителем Мартинусом Велтманом, а также независимо американец Бенджамин Ли и француз Жан Зинн-Жюстен дали строгое доказательство этого результата.

Теория укрепилась после 1973 года, когда на церновской пузырьковой камере Гаргамель (Gargamelle) экспериментаторы зарегистрировали так называемые слабые нейтральные токи (weak neutral currents), указывающие на существование незаряженного промежуточного бозона. Конкретно, была выявлена реакция упругого рассеяния мюонного антинейтрино на электроне, приводящего к рождению тех же самых частиц. За нее отвечает слабое взаимодействие — следовательно, она должна осуществляться с помощью ПВБ. Поскольку заряды начальных и конечных продуктов не меняются, это может быть только Z0 (отсюда и название — слабый нейтральный ток). Ученые обнаружили следы этой реакции всего на трех фотографиях из общего числа миллион четыреста тысяч, которые им пришлось просмотреть. И в этом не было ничего удивительного — события с участием нейтрино отличаются исключительной редкостью. Позднее экспериментаторы прибегли к другому способу поиска нейтральных токов и после анализа 290 тысяч снимков выявили 166 релевантных событий. Поскольку фотографии тогда изучались без всякой помощи компьютеров, просто с помощью оптических сканеров, это все равно была адская работа.

Наконец, случившееся в том же году открытие очарованного кварка тоже пошло на пользу электрослабой модели (для краткости умолчу, почему именно). То же самое можно сказать и о результатах экспериментов по столкновению электронов и позитронов с образованием мюонов и антимюонов, которые во второй половине 1970-х годов были выполнены в США и ФРГ.

И все же это были только косвенные подтверждения. К началу 1980-х годов сами ПВБ так и не были обнаружены — и отнюдь не случайно. Радиус действия слабого взаимодействия приблизительно в сто раз меньше радиуса сильного взаимодействия. Отсюда сразу следует, что массы ПВБ должны где-то на пару порядков превышать массы пионов — следовательно, исчисляться десятками ГэВ. Более точные вычисления, первые из которых выполнил Стивен Вайнберг, оценивали минимальную массу заряженных ПВБ в 60 ГэВ, а масса Z0, согласно теории, должна была быть даже больше, хотя и ненамного. К концу 1982 года новые эксперименты позволили сильно поднять эти оценки. Согласно тогдашним данным, оба заряженных ПВБ тянули на (79,2 ± 1,5) ГэВ, а их нейтральный партнер — на (90,7 ± 1,2) ГэВ. Ни один из ускорителей, запущенных до начала последней четверти прошлого века, даже и близко не давал надежду на рождение частиц с массами 80 и 90 протонных масс. Для сравнения стоит напомнить, что масса самого тяжелого из гиперонов, омега-частицы, равна приблизительно 1,67 ГэВ, то есть не доходит и до двух протонных масс. К тому же столь массивные частицы должны были иметь очень короткое время жизни, из-за чего обнаружить их было можно лишь по продуктам распада. Для этого требовались специальные детекторы, которых физики ранее еще не создавали. В общем, проблемы, проблемы и проблемы.

Коллайдер — и точка!

Первой машиной, на которой были получены и изучены промежуточные векторные бозоны, стал Протонный суперсинхротрон (Super Proton Synchrotron, SPS), который был запущен в ЦЕРНе летом 1976 года. В главном кольце этого ускорителя диаметром 2,2 километра протоны на первой стадии его работы разгонялись до энергии 400 ГэВ. В качестве первой ступени разгона применялся запущенный еще в 1959 году протонный синхротрон (PS), разгонявший частицы до энергии 26 ГэВ. Через несколько лет этот комплекс был сильно модифицирован, что и позволило использовать его для получения и исследования ПВБ. Это весьма занимательная история, о которой стоит поговорить поподробней.

Для начала немного физики. Авторы популярных изданий любят представлять ускорители-гиганты в качестве своего рода супермикроскопов, предназначенных для «разглядывания» элементарных частиц. В основе этой аналогии лежит известная формула де Бройля, согласно которой каждой микрочастице соответствует квантовая волна, чья длина обратно пропорциональна импульсу частицы. А чем короче волна, тем лучше разрешение. Подобно тому, как рентгеновские микроскопы позволяют выявить более тонкие детали по сравнению с оптическими, быстрые частицы дают возможность глубже заглянуть внутрь материи, нежели медленные. Следовательно, для получения более полной информации о микромире надо увеличивать энергию частиц, разгоняемых в исследовательских ускорителях. Что и происходит на протяжении всей истории прогресса ускорительных технологий.

Но микроскопная аналогия все же неполна. С помощью формулы де Бройля можно подсчитать, что, например, электроны с энергией 1 ГэВ позволяют прощупать дистанции порядка 10−15 метра (один фемтометр), а электроны с энергией 10 ГэВ — 10−16 метра. А что дальше? Разгоняемые в ускорителе частицы сами по себе никаких изображений не формируют. Каждая из них должна столкнуться с той или иной мишенью (в конечном счете, другой частицей) и как-то с ней прореагировать. Далее возможны варианты. Налетающая частица может просто изменить свою траекторию и уйти в регистрирующее устройство, оставив мишень в прежнем состоянии (как было отмечено в предшествующем разделе, такие столкновения называются упругими). Именно с их помощью в начале второго десятилетия XX века Эрнест Резерфорд и его ассистенты Эрнест Марсден и Йоханнес Гейгер пришли к выводу о существовании атомных ядер. Направив на тонкую золотую фольгу поток альфа-частиц, они обнаружили, что те иногда отклонялись на очень большие углы, что можно было естественно объяснить на основе ядерной модели.

Однако современных специалистов по физике высоких энергий куда больше интересуют неупругие столкновения, в ходе которых частица-мишень переходит в возбужденное состояние или распадается. Чем больше энергии налетающая частица отдает мишени, тем более массивными имеют шансы оказаться продукты ее распада — вторичные частицы. Для их идентификации ускорители снабжают разнообразными детекторами, которые работают под контролем микросхем и компьютеров.

Естественно, что для таких экспериментов надо посильнее разгонять налетающие частицы. Но не только. При соударении частицы с мишенью выполняется закон сохранения импульса, причем в его релятивистской форме. Это приводит к вполне определенным последствиям. Если сталкиваются две частицы, одна из которых покоится, а вторая движется с околосветовой скоростью, львиная доля полной энергии налетающей частицы будет израсходована на ускорение вторичных частиц, которые возникают в результате соударения. А вот на энергетическое обеспечение самого процесса их рождения, которое и является целью эксперимента, останется не так уж много. В результате большая часть энергии, затраченной на работу ускорителя, будет израсходована почти что впустую.

Почему так происходит? Всему виной кинематика специальной теории относительности. Энергия ускоряемых частиц измеряется относительно самого ускорителя, как говорят физики, в лабораторной системе отсчета. Чтобы оценить ту ее часть, которая может пойти на рождение новых частиц (так называемую эффективную энергию столкновения), надо вычислить энергию налетающей частицы относительно центра инерции ее и частицы-мишени. Оказывается, что она будет много меньше энергии, числящейся в паспорте ускорителя.

Вот конкретный пример. Если сталкиваются одинаковые частицы, одна из которых покоится в лабораторной системе отсчета, а вторая движется с гиперрелятивистской скоростью, то энергия в системе центра инерции дается простой формулой — квадратный корень из удвоенного произведения энергии покоя частицы и ее полной энергии после разгона в ускорителе. Предположим, что речь идет о протонах. Энергия покоя протона составляет примерно 1 ГэВ (для любителей точности, 938 МэВ). В середине 1970-х годов самым мощным в мире протонным ускорителем был синхротрон в Фермилабе, который разгонял эти частицы до энергии 400 ГэВ. Легко подсчитать, что на рождение новых частиц у него оставалось около 28 ГэВ (квадратный корень из 800). Ясно, что шансы получить на этой машине частицы с массами 80–90 ГэВ равны нулю.

Но выход есть. Пусть сталкиваются частицы, чьи импульсы равны по величине и строго противоположны по направлению. В этом случае суммарный импульс равен нулю, и лабораторная система отсчета совпадает с системой центра инерции. Тогда эффективная энергия столкновения будет равна сумме энергий обеих частиц. Так работают ускорители на встречных пучках, они же коллайдеры.

Еще одно уточнение. Плотность частиц пучка неизмеримо уступает плотности атомов неподвижной мишени, поэтому столкновения в коллайдерах случаются намного реже, чем в традиционных ускорителях. Этой беде можно помочь, если предварительно собирать частицы в тороидальных вакуумных камерах, помещенных в магнитное поле — так называемых накопительных кольцах. Разогнанные во вспомогательном ускорителе частицы можно направлять (физики говорят, инжектировать) в кольцо до тех пор, пока сила тока в нем не достигнет нужной величины (на практике это десятки ампер), а затем уже выпускать навстречу друг другу.

Накопительное кольцо — это тоже ускоритель. Релятивистские заряженные частицы, которые вращаются внутри него по круговым путям, испускают остронаправленные электромагнитные волны (синхротронное излучение), тратя на это часть своей энергии. Эти потери необходимо компенсировать, иначе частицы пойдут по стягивающимся спиралям и в конце концов столкнутся со стенками. Так что накопительные кольца приходится оснащать разгонными радиотехническими устройствами, стабилизирующими скорость частиц. Эти системы также могут придавать частицам дополнительное ускорение, увеличивая их энергию по сравнению с той, которой они обладали сразу после инжектирования.

Такое кольцо, Intersecting Storage Ring (ISR), в середине 1970-х годов уже работало в ЦЕРНе. Оно было в состоянии разгонять встречные пучки протонов до энергии 31,5 ГэВ и удерживать их в этом состоянии в течение нескольких суток. Но эффективная энергия доступных в нем столкновений не превышала 63 ГэВ, так что в качестве «фабрики» ПВБ оно действовать не могло.

И вот здесь в игру вступили работавший в ЦЕРН Карло Руббиа, сотрудник Висконсинского университета Дэвид Клайн и гарвардский физик Питер Макинтайр. В 1976 году они предложили превратить два крупнейших в мире протонных синхротрона, SPS и ускоритель в Фермилабе, в коллайдеры, только не протон-протонные, а протон-антипротонные. Преимущество этой идеи состояло в том, что инжектирование в накопительное кольцо и в главный ускоритель отрицательно заряженных антипротонов позволит раскручивать их в обратном направлении по отношению к протонным пучкам с помощью одних и тех же магнитов и радиотехнических устройств. Это обещало сильно удешевить эксперименты по поиску как ПВБ, так и других частиц.

Но здесь имелись свои нюансы. Получить чистый пучок протонов несложно — надо только полностью ионизировать газообразный водород, сфокусировать его ядра в нужном направлении и направить их куда следует для разгона. Для производства антипротонов нужно обстреливать неподвижную мишень потоком протонов с энергиями не менее 6 ГэВ. Именно таким путем в 1956 году антипротоны были впервые получены на специально построенном для этой цели ускорителе Беватрон в Беркли (в этом эксперименте медную мишень бомбардировали потоки протонов, ускоренных до энергии 6,2 ГэВ). За это руководители эксперимента Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен через три года получили Нобелевскую премию.

И всё бы ничего, но природа зачастую не любит простых решений. Этот метод приводит к рождению антипротонов с различными кинетическими энергиями, которые к тому же разлетаются от мишени под разными углами. Поэтому их надо, как говорят физики, охладить, то есть выровнять по величине и направлению импульса. К счастью, еще в 1968 году будущий нобелевский лауреат Симон ван дер Мер изобрел (а через 4 года опубликовал) очень эффективную технологию для решения этой задачи, которую он назвал стохастическим охлаждением. Для практической реализации она требовала разработки специальной электронной аппаратуры, что удалось сделать только в 1975 году. Тогда же метод ван дер Мера был опробовал на ISR и признан удачным. Я бы с удовольствием рассказал об его деталях, которые многочисленны и чрезвычайно интересны, но это увело бы нас слишком далеко от основной темы.

К ней и вернемся. Итак, к моменту запуска SPS в распоряжении экспериментаторов уже имелся вполне эффективный метод охлаждения антипротонов, после которого их можно было инжектировать в накопительное кольцо и в главный ускоритель. В принципе, его можно было использовать и в Женеве, и в Фермилабе. Однако американцы сначала планировали применить другой метод, предложенный в 1966 году директором Института ядерной физики СОАН Гершем Ицковичем Будкером, а потом, отчасти из-за ряда технических сложностей, и вовсе отказались до лучших времен от генерирования антипротонов. В результате все надежды получить ПВБ скрестились на ЦЕРНе. Летом 1978 года его руководство одобрило проект превращения своего суперсинхротрона в протон-антипротонный коллайдер, производящий встречные пучки частиц с энергиями 270 ГэВ. По всем расчетам, этого было достаточно для получения всех трех промежуточных векторных бозонов.

В ходе подготовки к этим экспериментам SPS пришлось дополнить новой установкой. Как уже отмечалось, «затравочный» синхротрон PS выдавал частицы с энергией 26 ГэВ. Он генерировал их пульсами по 1013 протонов на сгусток. А вот антипротонные пульсы были куда беднее частицами — всего лишь 20 миллионов в сгустке. Этого было совершенно недостаточно. Как показывали вычисления, для успеха эксперимента надо было довести число частиц в каждом антипротонном сгустке как минимум до 600 миллиардов, 6×1011. Поэтому ускорительный комплекс получил новую систему, так называемый Антипротонный Аккумулятор (АА). Это устройство накапливало по 30 тысяч антипротонных пульсов и затем посылало их в главное кольцо SPS. Его сделали с рекордной скоростью, всего за два года. В июле 1980 года АА был в основном готов к работе. После этого SPS фактически превратился в новую установку, которую назвали Super Proton–Antiproton Synchrotron, или SppS.

14 февраля 1981 года на машине PS началось ускорение антипротонов — к слову, впервые в мире. После этого дело пошло быстро. 4 апреля накопительное кольцо ISR приняло первые пучки протонов и антипротонов с энергиями 26 ГэВ, которые сталкивались с рождением вторичных частиц. Поскольку эффективная энергия этих соударений не превышала 52 ГэВ, ничего интересного обнаружено не было. Однако главная задача была выполнена — физики убедились, что ISR прекрасно работает. Затем еще три месяца комплекс готовили к инжектированию частиц в главное кольцо, которое дебютировало 7 июля. Теперь всё было готову к началу исторического эксперимента.

Охота на ПВБ

Задолго до приведения обновленного ускорительного комплекса SppS в рабочее состояние Карло Руббиа и его многочисленные коллеги и помощники уже знали, как именно они будут искать заветные бозоны. Разумеется, речь могла идти только о регистрации следов их распадов — но каких? Теория утверждала, что W-частицы должны с 20-процентной вероятностью превращаться в пары лептонов. Отрицательный бозон Wдает начало либо электрону с электронным антинейтрино, либо мюону с мюонным антинейтрино. Для положительного W-бозона исход, так сказать, антисимметричен: позитрон плюс электронное нейтрино или мюон плюс мюонное. Нейтральный бозон Z0 с вдвое меньшей вероятностью (то есть 10%) превращается либо в пару «электрон-позитрон», либо в аналогичную пару второго поколения «мюон-антимюон» (стоит отметить, что после открытия лептонов третьего поколения вероятность распада по этим двум каналам была уменьшена до семи процентов). Эти-то следы трансмутаций ПВБ и предстояло найти.

На этой стадии было бы логично рассказать о детекторах, которые применялись в этих поисках. Однако это потребовало бы слишком много места — практически, пришлось бы писать вторую статью. Поэтому я ограничусь лишь самыми общими сведениями.

Начну с того, что коллайдеры предъявляют специфические требования к детекторам частиц. Рожденные в этих машинах вторичные частицы разных поколений могут разлетаться по любым направлениям. Идеальный многоцелевой детекторный комплекс обязан зарегистрировать все эти осколки, за исключением всепроникающих нейтрино и, возможно, каких-то экзотов типа гипотетических частиц темной материи, которые очень слабо взаимодействуют с обычным веществом. Естественно, что такой комплекс должен содержать множество разнообразных специализированных регистраторов частиц, то есть быть мультидетектором.

Типичный мультидетектор «полного отлова» — это слоеный цилиндр, охватывающий зону межчастичных столкновений. Во внутреннем слое обычно расположены устройства, регистрирующие треки наиболее короткоживущих частиц, а ближе к периферии — детекторы других типов, такие как дрейфовые камеры и черенковские счетчики. Внешние слои, как правило, заполнены жидкими и твердыми средами (к примеру, жидкий аргон и железо или свинец), которые полностью поглощают фотоны и прочие частицы за исключением мюонов и нейтрино. Эти компоненты детектора оснащены собственными регистрирующими устройствами, которые измеряют полную энергию частицы (благодаря чему этот блок называют калориметром). Мюоны практически беспрепятственно проникают сквозь калориметр и регистрируются специальными внешними счетчиками, а нейтрино уходят в окружающее пространство. Разумеется, детектор снабжен магнитами, которые отклоняют заряженные частицы. Конечно, это общая схема, которая в разных коллайдерах находит те или иные конкретные воплощения.

Поиск ПВБ вели в двух подземных детекторных комплексах, получивших название UA1 (underground area, experiment 1) и, соответственно, UA2. В первом эксперименте участвовала коллаборация европейских и американских ученых и инженеров, чья численность доходила до 135 человек. Общая масса этого комплекса равнялась двум тысячам тонн. Второй комплекс был меньше по размерам и весу («всего» 200 тонн), и там работало около пятидесяти человек. Имелись также куда более скромные детекторы UA(3), UA(4) и UA(5), но они выполняли другие задачи. Так, команда комплекса за третьим номером надеялась (увы, тщетно) отловить магнитные монополи, а двадцать участников коллаборации четвертого комплекса измеряли кинематические характеристики упругих столкновений протонов и антипротонов. Работу этих приборов я не буду комментировать.

Прежде чем идти дальше, надо еще кое-что уточнить. Во-первых, помимо эффективной энергии, у любого ускорителя есть еще одна важнейшая характеристика — светимость. Этот параметр задает интенсивность столкновений между частицами налетающего пучка и мишени (или, в случае коллайдера, между частицами встречных пучков) в расчете на единицу площади поперечного среза пучка. Каждый акт столкновения приводит к реакции с определенным исходом — событию, как говорят физики. Вероятность той или иной реакции определяется численным показателем, эффективным сечением. Число событий данного типа в единицу времени равно произведению сечения на светимость. Так что светимость характеризует возможности ускорителя, а сечение — самой природы, поскольку оно зависит только от законов физики.

Cтандартная единица светимости современного коллайдера — это 1030/см2 сек. Например, светимость запущенного в 2006 году электронно-позитронного коллайдера ВЭПП-2000 Института ядерной физики СОАН составляет сто таких единиц (при энергии каждого пучка 1 ГэВ). Светимость знаменитого Тэватрона в максимуме несколько превышала 170 единиц, а светимость Большого адронного коллайдера доходит до 20 000 единиц. Светимость SPS в начале его работы летом 1981 года не превышала одной десятитысячной стандартной единицы (1026/см2 сек), но к концу года ее довели до одной двухсотой (5×1027/см2 сек). К концу 1982 года светимость удалось довести до одной двадцатой стандартной единицы, что уже давало надежду на регистрацию как минимум W-бозонов, причем за вполне разумное время порядка нескольких дней.

Второе уточнение связано с энергией разогнанных в главном ускорителе протонов и антипротонов. Как уж говорилось, она составляла 270 ГэВ, хотя иногда ее доводили до 310 ГэВ. Казалось бы зачем так много при ожидаемых массах ПВБ не свыше 90 ГэВ? Однако надо учесть, что настоящими предшественниками векторных бозонов служили не сами сталкивающиеся частицы, а составляющие их кварки и антикварки. Каждый бозон рождался на свет при, фигурально выражаясь, слиянии кварка от протона и антикварка от антипротона, которое использовало не всю эффективную энергию столкновения в 540 ГэВ, а только ее небольшую часть.

Как развивались события после достижения желаемой светимости? В течение тридцати дней измерений в ноябре и декабре 1982 года электронные триггеры комплекса UA(1) отобрали 140 тысяч потенциально релевантных событий из приблизительно миллиарда. Дальнейшая компьютерная селекция уменьшила это число до 2125, затем до 167, и в конце концов до 39. В дальнейшем их «вручную» фильтровали уже сами экспериментаторы, которые отбраковали 34 события. Оставшиеся пять (которые затем выделили еще одним способом!) выглядели вполне приемлемыми кандидатами на роль следов распада заряженных бозонов. Четыре события позволяли предположительно выявить наличие электронов высоких энергий и потому могли свидетельствовать о регистрации бозона W. Пятое демонстрировало присутствие позитрона и, следовательно, возможность отлова бозона W+. Дальнейший анализ показал, что предшественниками наблюдавшихся событий с высокой долей вероятности были распады четырех отрицательных и одной положительной частицы с массой (81 ± 5) ГэВ. Согласно теории, ими могли быть только W-бозоны.

Коллаборация UA(2) действовала аналогичным образом, хотя отбор интересных событий велся по-иному. В конечном счете он привел к выделению четырех хороших кандидатов на следы распадов W-бозонов. Предложенная этой командой оценка их масс почти совпала с выводами группы UA(1): 80 ГэВ (хотя и с куда большим разбросом). Это было вполне нормально.

Осенняя серия регистрации протон-антипротонных столкновений, в ходе которой были получены первичные данные для этих выводов, закончилась 6 декабря 1982 года, когда коллайдер был остановлен для технического обслуживания. 20 и 21 января обе коллаборации представили свои результаты на семинарах в ЦЕРНе. Их доклады были сочтены столь убедительными, что 25 января его руководство сочло возможным сообщить о них мировым СМИ. 26 января торжествующий Карло Руббиа доложил о регистрации распадов W-бозонов с рождением электронов и нейтрино на конференции в Нью-Йорке.

Но это было только полдела — ведь предстояло еще зарегистрировать Z0. 12 апреля 1983 года коллайдер вновь включили, и обе коллаборации приступили к работе. Однако им пришлось сначала преодолеть последний порог — повысить светимость коллайдера. К концу мая ее удалось довести до 1,6×1029/см2 сек — всего 16% стандартной единицы. Однако еще до этого, с 30 апреля до 28 мая, команда UA(1) нашла пять событий с вероятными следами распада нейтрального ПВБ. Вычисления его массы дали вполне разумный результат: среднее значение составило (95,2 ± 2,5) ГэВ. Группа UA(2) сначала идентифицировала восьмерку релевантных событий, но потом, для пущей надежности, отсеяла половину. В итоге она также сообщила об открытии Z0 с массой (91,9 ± 1,3) ГэВ. По современным данным, массы ПВБ равны, соответственно, 80,385 ГэВ и 91,1876 ГэВ. Так что точность результатов их первых измерений более чем впечатляет.

3 июля 1983 года коллайдер SppS был вновь остановлен. Это и стало официальным концом великого эксперимента. Интересно, что к этому времени коллаборация UA(1), которая продолжала работать и позднее, успела выявить около семидесяти распадов W-бозонов и восемь распадов Z-бозонов (четыре на электрон и позитрон и еще четыре на мюон и антимюон). После дальнейшей калибровки их вычисленные массы составили (80,9 ± 1,5) ГэВ и (95,6 ± 1,4) ГэВ. Соседняя коллаборация тоже увеличила число открытых частиц и уточнила их массы. Вряд ли нужно особо отмечать, что и новые значения полностью укладывались в рамки, разрешенные теорией электрослабых взаимодействий. Так что лето 1983 года стало временем великого триумфа и самой этой теории, и проверявших ее экспериментаторов. В этом статусе оно и вошло в историю физики.

Алексей Левин

Adblock test (Why?)

Ссылка на первоисточник

Картина дня

наверх