Фізика елементарних частинок (або фізика високих енергій) — це наука виключно XX століття, яка цілком ґрунтується на квантових уявленнях про світ. Її теоретичні та експериментальні методи розвивалися разом. У багатьох експериментах знаходили нові частинки, але іноді й теоретики передбачали існування невідомих раніше частинок.
Вступ
Можна сміливо стверджувати, що фізика елементарних частинок — одна з небагатьох галузей людського знання, де вдалося найглибше проникнути в таємниці матерії та пояснити її властивості.
За традицією виділяють чотири фундаментальні взаємодії: гравітаційну, електромагнітну, сильну і слабку. Перші дві є далекодійними та давно знайомі людині. Гравітація, наприклад, керує рухом небесних тіл. Усі ми відчуваємо гравітаційне притягання Землі. Електромагнетизм пояснює більшість сил, з якими стикається людина в повсякденному житті. Дві інші взаємодії короткодійні. Вони проявляються лише в масштабах атомного ядра (пояснюють альфа- і бета-розпад) і стають визначальними на ще менших масштабах.
Далі ми розглянемо відкриття та праці, які привели до становлення квантової механіки та появи сучасних теоретичних моделей фундаментальних взаємодій, сукупність яких називають Стандартною моделлю. До успіхів Стандартної моделі належить опис практично всіх даних, отриманих у прискорювальних експериментах, а також об'єднання електромагнітних і слабких взаємодій в єдину електрослабку взаємодію.
У заключній частині виділимо основні ідеї, що визначили розвиток фізики високих енергій, а також опишемо сучасні проблеми та перспективи майбутніх відкриттів.
Розвиток теоретичної фізики високих енергій
Відкриття електрона
Уявлення про структуру атома розвивалося поступово. Ми почнемо обговорення з відкриття електрона.
У 1859 році Юліус Плюккер відкрив катодні промені. Це промені, які випромінює розігрітий катод у вакуумній трубці. Вони здатні викликати світіння деяких речовин. Також вони мають кінетичну енергію та здатні розкручувати легку вертушку. У 1895 році Жан Перрен експериментально довів, що катодні промені — це потік негативно заряджених частинок, які рухаються прямолінійно, але можуть відхилятися магнітним полем.
З 1895 року Джозеф Джон Томсон у Кавендіській лабораторії Кембриджського університету починає методичне кількісне вивчення відхилення катодних променів в електричних і магнітних полях. Підсумки цієї роботи були опубліковані в 1897 році в жовтневому номері журналу «Philosophical Magazine». У своєму досліді Томсон довів, що всі частинки, які утворюють катодні промені, тотожні одна одній, оскільки мають однакове відношення заряду до маси, і входять до складу речовини. Так було відкрито електрон.
Томсон запропонував модель атома, яку іноді називають «пудинг з родзинками». За цією моделлю атом — позитивно заряджене тіло з електронами всередині. Ця модель не пояснювала дискретного характеру випромінювання атомів і пізніше була спростована Ернестом Резерфордом.
У 1906 році Томсон отримав Нобелівську премію з фізики «на знак визнання заслуг у галузі теоретичних і експериментальних досліджень провідності електрики в газах». Катодними променями також займався Філіпп Ленард, який отримав за свої дослідження Нобелівську премію 1905 року.
Корпускулярна природа світла
Головні теорії, що лежать в основі сучасних фізичних уявлень про світ, квантова механіка і теорія відносності, народилися з двох невеликих проблем (на тлі величезних успіхів) класичної фізики кінця XIX століття: пояснення спектра випромінювання абсолютно чорного тіла і невдалі спроби вимірювання абсолютної швидкості Землі (швидкості відносно ефіру).
У 1900 році Макс Планк виявив, що спектр випромінювання абсолютно чорного тіла — залежність інтенсивності від частоти — можна кількісно описати, якщо припустити, що електромагнітна енергія випромінюється і поглинається не безперервно, а окремими порціями — квантами. Квант електромагнітного випромінювання називається фотоном. При цьому потрібно вважати, що енергія фотона пропорційна частоті випромінювання: E = hν.
Макс Планк отримав Нобелівську премію в 1918 році з формулюванням «на знак визнання його заслуг у розвитку фізики завдяки відкриттю квантів енергії».
Інше явище, яке не могла пояснити класична фізика, — це фотоефект. (Цікаво, що фотоефект в електролітах у 1839 році спостерігав Александр Едмон Беккерель, батько Антуана Анрі Беккереля, який відкрив радіоактивність, про що буде сказано нижче.)
Віллоубі Сміт у 1873 році виявив, що селен є фотопровідним. Потім ефект вивчав у 1887 році Генріх Герц. У 1888-1890 роках фотоефект систематично вивчав російський фізик Олександр Столєтов.
Як показали експерименти, енергія електронів, які електромагнітні хвилі вибивають із металевих пластинок, залежить лише від довжини хвилі, але не від її інтенсивності. Також спостерігалася «безінерційність» фотоефекту: навіть за опромінення пластинок дуже слабким світлом деякі електрони вилітають одразу після ввімкнення освітлення. Цей факт суперечить класичній електродинаміці, оскільки слабкому полю потрібно більше часу, щоб розгойдати електрони до потрібної амплітуди.
Теоретичне пояснення фотоефекту запропонував Альберт Ейнштейн у 1905 році. Його ідея полягала в тому, що світло не лише випускається, а й поширюється квантами. Ця ідея підтверджується безінерційністю фотоефекту. Оскільки енергія фотонів залежить лише від частоти (і не залежить від інтенсивності світла), то й енергія фотоелектронів також має залежати лише від частоти. За це відкриття Ейнштейн отримав Нобелівську премію в 1921 році.
Радіоактивність
Відкриття явища радіоактивності, як і будь-яке справжнє відкриття, було зроблено цілком випадково. У 1896 році Антуан Анрі Беккерель займався люмінесценцією та дослідженням рентгенівських променів. Він хотів з’ясувати, чи не супроводжується будь-яка люмінесценція — світіння речовини в результаті поглинання енергії збудження — ще й випусканням рентгенівських променів.
Щоб перевірити свою здогадку, він навмання взяв одну із солей урану, яка фосфоресціювала жовто-зеленим світлом. Після освітлення сонячним світлом він загорнув сіль у чорний папір і поклав у темну шафу на фотопластинку, також загорнуту в чорний папір. Через деякий час, проявивши пластинку, Беккерель справді побачив зображення шматка солі. Люмінесцентне випромінювання (світло) не могло пройти крізь чорний папір, і лише рентгенівські промені могли за цих умов засвітити пластинку. Беккерель повторив дослід кілька разів і виявив відтворюваність результату. Наприкінці лютого 1896 року на засіданні Французької академії наук він зробив повідомлення про рентгенівське випромінювання фосфоресцентних речовин.
Через деякий час у лабораторії Беккереля випадково проявили пластинку, на якій лежала не опромінена Сонцем уранова сіль. Вона, звісно, не фосфоресціювала, але все одно залишала на пластинці зображення. Тоді Беккерель почав випробовувати різні солі урану (зокрема ті, що роками лежали в темряві). Пластинка незмінно засвічувалася. Помістивши між сіллю та пластинкою металевий хрестик, Беккерель отримав слабкі контури хрестика на пластинці. Тоді стало зрозуміло, що відкрито нові промені, які не є рентгенівськими.
Беккерель установив, що інтенсивність випромінювання визначається лише кількістю урану в препараті й зовсім не залежить від того, до яких сполук він входить. Тобто ця властивість притаманна не сполукам, а хімічному елементу — урану.
У 1898 році Марія та П’єр Кюрі виявили радіоактивність торію, пізніше вони відкрили радіоактивні елементи полоній і радій. Вони встановили, що властивість природної радіоактивності мають усі сполуки урану й найбільшою мірою сам уран.
За відкриття радіоактивності Беккерель спільно з подружжям Кюрі отримав Нобелівську премію в 1903 році.
Природу нових променів, які випускають радіоактивні джерела, допомогла прояснити їхня поведінка в магнітному полі. У 1897 році Резерфорд відкрив, що радіоактивне випромінювання складається з додатно заряджених α-променів і від’ємно заряджених β-променів. У 1907 році Резерфорд спільно з Томасом Ройдсом установили, що α-частинки — це ядра гелію (точніше, додатно заряджені іони гелію, оскільки атомне ядро тоді ще не було відкрито). β-частинки виявилися електронами. Поль Віллар у 1900 році виявив незаряджені γ-промені. Це електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі, ще меншою, ніж у рентгенівського випромінювання.
Резерфорд отримав Нобелівську премію з хімії в 1908 році за дослідження радіоактивного розпаду та хімічних перетворень радіоактивних речовин.
Структура атома
У 1909 році Ганс Ґейґер і Ернест Марсден під керівництвом Резерфорда провели експеримент з опромінення золотої фольги α-частинками. На основі цього експерименту Резерфорд запропонував планетарну модель атома.
Результати експерименту полягали в такому. Більшість α-частинок проходила крізь фольгу, не відхиляючись і не втрачаючи швидкості. Однак мала частка частинок відхилялася в різних напрямках, зокрема й назад.
Згідно з планетарною моделлю, майже вся маса атома зосереджена в ядрі, розміри якого набагато менші за розміри атома. Електрони обертаються навколо ядра, як планети навколо Сонця. Тому більшість α-частинок вільно пролітала крізь речовину (можливі зіткнення з електронами не приводили до істотної зміни траєкторії, оскільки електрони набагато легші за α-частинки), і лише деякі, стикаючись із важким ядром, відхилялися.
Загалом значення експерименту Ґейґера—Марсдена важко переоцінити. Практично всі експерименти у фізиці високих енергій побудовані за такою ж схемою, коли потік частинок потрапляє на мішень. Постановку експерименту Ґейґера—Марсдена з повним правом можна назвати класичною.
Планетарна модель атома, побудована на класичній фізиці, не могла дати кількісного опису атомів. Згідно з класичною електродинамікою, електрон, що обертається навколо ядра, має випромінювати енергію, оскільки рухається зі змінним прискоренням. За малий час (10−8 с) електрон має впасти на ядро.
У 1913 році Нільс Бор побудував напівквантову модель атома водню. Його роботу «Про будову атомів і молекул» було опубліковано в трьох частинах у «Philosophical Magazine». У теорії Бора можна виділити два основні компоненти: загальні твердження (постулати) про поведінку атомних систем, які зберігають своє значення й усебічно перевірені, та конкретну модель будови атома, яка в наші дні становить лише історичний інтерес.
Постулати Бора містять припущення про існування стаціонарних станів і про випромінювальні переходи між ними відповідно до уявлень Планка про квантування енергії речовини. Модельна теорія атома Бора виходить із припущення про можливість опису руху електронів в атомі, що перебуває в стаціонарному стані, на основі класичної фізики, на який накладаються додаткові квантові умови (наприклад, квантування кутового моменту електрона).
Теорія Бора одразу ж дала змогу обґрунтувати дискретний спектр випускання та поглинання випромінювання воднем і обчислювати конкретні довжини хвиль випромінювання. Однак ця теорія не працює для складніших атомів із кількома електронами. До того ж модель атома Бора внутрішньо суперечлива. Вона використовує класичне рівняння руху електрона та умову квантування орбіт, яка суперечить класичній фізиці.
Нільс Бор отримав Нобелівську премію в 1922 році «за заслуги в дослідженні будови атомів і випромінювання, яке вони випускають».
Хвильова природа речовини
Французький учений Луї де Бройль усвідомив наявну в природі симетрію і, розвиваючи уявлення про подвійну корпускулярно-хвильову природу світла, висунув у 1923-1924 роках гіпотезу про універсальність корпускулярно-хвильового дуалізму. Він стверджував, що не лише фотони, а й електрони та будь-які інші частинки матерії поряд із корпускулярними мають також хвильові властивості.
Згідно з де Бройлем, із кожним мікрооб’єктом пов’язують, з одного боку, корпускулярні характеристики — енергію E та імпульс p, а з іншого боку — хвильові характеристики — частоту й довжину хвилі.
До ідеї де Бройля фізики поставилися скептично. І лише через три роки, у 1927 році Джордж Томсон і Клінтон Джозеф Девіссон випадково відкрили дифракцію електронів на тонких металевих плівках і підтвердили гіпотезу де Бройля.
У 1929 році Луї де Бройль був удостоєний Нобелівської премії з фізики «за відкриття хвильової природи електронів», а в 1937 році Нобелівську премію отримали й Томсон із Девіссоном.
Експериментальне відкриття хвильової природи електронів підтвердило основні ідеї, що лежать в основі квантової механіки. Зазначимо, що згідно з квантовою механікою хвильова природа притаманна не лише потоку електронів, а й окремому електрону. Це вдалося експериментально підтвердити в 1948 році радянському фізику В. А. Фабриканту. Він показав, що навіть у разі настільки слабкого електронного пучка, коли кожен електрон проходить крізь прилад незалежно від інших, дифракційна картина, яка виникає за тривалої експозиції, не відрізняється від дифракційних картин, отримуваних за короткої експозиції для потоків електронів у десятки мільйонів разів більшої інтенсивності.
Створення квантової механіки
У 1925-1926 роках було закладено основи послідовної квантової теорії у вигляді квантової механіки, яка містить нові фундаментальні закони кінематики та динаміки. Перше формулювання квантової механіки міститься у статті Вернера Гайзенберґа, датованій 29 липня 1925 року. Цю дату можна вважати днем народження нерелятивістської квантової механіки.
Згідно з фольклором, настільки поширеним серед фізиків, відкриття основного рівняння квантової механіки сталося так: у 1926 році фізик-теоретик на ім’я Ервін Шредінґер виступав на науковому семінарі в Цюрихському університеті. Він розповідав про дивні нові ідеї, що витали в повітрі, про те, що об’єкти мікросвіту часто поводяться радше як хвилі, ніж як частинки. Тут слова попросив літній викладач і сказав: «Шредінґере, ви що, не бачите, що все це нісенітниця? Чи ми тут усі не знаємо, що хвилі — вони на те й хвилі, щоб описуватися хвильовими рівняннями?» Шредінґер сприйняв це як особисту образу та поставив собі за мету розробити хвильове рівняння для опису частинок у межах квантової механіки — і блискуче впорався з цим завданням.
Незадовго до того Вернер Гайзенберґ, Макс Борн і Паскуаль Йордан опублікували інший варіант квантової теорії, який отримав назву матричної механіки й описував квантові явища за допомогою таблиць спостережуваних величин. Ці таблиці є певним чином упорядкованими математичними множинами, які називають матрицями й над якими за відомими правилами можна виконувати різні математичні операції. Матрична механіка також давала змогу досягти узгодженості зі спостережуваними експериментальними даними, але, на відміну від хвильової механіки, не містила жодних конкретних посилань на просторові координати чи час. Гайзенберґ особливо наполягав на відмові від будь-яких простих наочних уявлень або моделей на користь лише таких властивостей, які можна визначити з експерименту, оскільки, за його міркуваннями, мікросвіт має принципово іншу будову, ніж макросвіт, з огляду на особливу роль сталої Планка, несуттєвої у світі великих величин. «За створення квантової механіки, застосування якої привело, серед іншого, до відкриття алотропних форм водню» Вернер Гайзенберґ отримав Нобелівську премію 1932 року.
Шредінґер показав, що хвильова механіка та матрична механіка математично еквівалентні. Відомі нині під загальною назвою квантової механіки, ці дві теорії дали довгоочікувану загальну основу опису квантових явищ. Багато фізиків віддавали перевагу хвильовій механіці, оскільки її математичний апарат був їм краще знайомий, а її поняття здавалися більш «фізичними»; операції ж над матрицями — більш громіздкими.
Макс Борн з’ясував зміст хвильового рівняння. Річ у тім, що наївне уявлення про частинку як про хвилю в обмеженому об’ємі простору (хвильовий пакет) є хибним, оскільки хвильові пакети з часом розпливаються. Згідно з Борном, хвильова функція, що входить до рівняння Шредінґера, не відповідає жодним реальним хвилям, однак її квадрат дає ймовірність виявлення частинки в кожній точці. Макс Борн отримав Нобелівську премію в 1954 році, зокрема й за статистичну інтерпретацію хвильової функції.
Рівняння Дірака та спін
Творці квантової механіки чудово розуміли, що це нерелятивістська теорія. По-перше, у ній не враховується скінченна швидкість передавання взаємодій. По-друге, вона не описує процесів взаємного перетворення частинок. Нерелятивістський характер проявляється й у тому, що рівняння Шредінґера не описує процесів, у яких присутній спін частинок або магнітне поле, оскільки магнітне поле за своєю суттю є релятивістським ефектом.
Спроби записати найпростіше рівняння для хвильової функції, яке враховує теорію відносності (рівняння Кляйна—Ґордона—Фока), завершилися невдачею, оскільки в такій моделі не можна записати вираз для густини ймовірності на зразок квадрата модуля хвильової функції, який у кожній точці був би невід’ємним. Ще одна проблема цього рівняння полягає в тому, що поряд із розв’язками з додатною енергією в нього є й розв’язки з від’ємною енергією.
Поль Адрієн Моріс Дірак розумів, що такі проблеми пов’язані з наявністю в рівнянні Кляйна—Ґордона—Фока другої похідної хвильової функції за часом (рівняння Шредінґера, вільне від цієї труднощі, містить лише похідну першого порядку за часом). У 1927 році він запропонував хвильове рівняння, що не містило похідних за часом вище першого порядку, однак це було матричне рівняння для чотирикомпонентної хвильової функції.
Як виявилося, проблеми невизначеної норми та від’ємної енергії рівняння Дірака не розв’язало, але в ньому вже міститься спін. На той момент опис електрона на основі рівняння Дірака був найкращим.
Античастинки
Дірак усе-таки розв’язав проблему від’ємної енергії частинок. З погляду процедури вторинного квантування рух частинки з від’ємною енергією є рухом частинки з додатною енергією «назад у часі», а такий рух еквівалентний руху античастинки з правильною часовою залежністю, але в протилежний бік. Так Дірак передбачив, що в кожної частинки є близнюк — античастинка — частинка тієї самої маси, але з протилежними зарядами (зокрема електричним).
Першу античастинку — позитрон — було відкрито в 1932 році американським фізиком Карлом Девідом Андерсоном під час спостереження космічного випромінювання за допомогою камери Вільсона, поміщеної в магнітне поле. Назву «позитрон» вигадав сам Андерсон. Цікаво, що Андерсон також пропонував, щоправда безуспішно, перейменувати електрони на «негатрони». Він сфотографував сліди частинок, які дуже нагадували сліди електронів, але під дією магнітного поля вигиналися в протилежний бік, що свідчило про додатний електричний заряд виявлених частинок.
Невдовзі після цього відкриття, також за допомогою камери Вільсона, було отримано фотографії, що проливали світло на походження позитронів: під дією γ-квантів вторинного космічного випромінювання позитрони народжувалися в парах зі звичайними електронами. Такі властивості електрона та позитрона виявилися узгодженими з релятивістською теорією електрона Дірака.
У 1934 році Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі у Франції відкрили ще одне джерело позитронів — β+-радіоактивність.
Дірак разом зі Шредінґером отримали Нобелівську премію в 1933 році «за відкриття нових продуктивних форм атомної теорії», а Андерсон «за відкриття позитрона» — у 1936 році.
Варто зазначити, що рівняння Дірака описує лише електрон-позитронне поле, а також електрон-позитронне поле в зовнішніх електромагнітних полях. Взаємодію електронів і позитронів із фотонами описує нова наука — квантова електродинаміка.
Відкриття нейтрона
Ще в 1920 році Резерфорд припускав існування нейтральної частинки. Зокрема, про це свідчила різниця між атомним номером і масою ядра. У 1930 році Віктор Амбарцумян і Дмитро Дмитрович Іваненко показали, що ядра не можуть складатися з протонів і електронів, як тоді вважали, що вимагало введення нової нейтральної частинки для пояснення складу ядер.
У 1931 році Вальтер Боте та Герберт Бекер, які працювали в Німеччині, виявили, що якщо високоенергетичні
Важливий внесок зробили в 1932 році Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі. Вони показали, що якщо це невідоме випромінювання потрапляє на парафін або будь-яку іншу сполуку, багату на водень, утворюються протони високих енергій. Саме по собі це нічому не суперечило, але числові результати приводили до неузгодженостей у теорії.
Пізніше того самого 1932 року англійський фізик Джеймс Чедвік провів серію експериментів, у яких показав, що
Одразу після відкриття нейтрона Іваненко та Гайзенберґ незалежно один від одного висунули гіпотезу про протон-нейтронну структуру ядра. Ця гіпотеза згодом отримала повне підтвердження.
Відкриття нейтрино
Однією з основних проблем у ядерній фізиці
З іншого боку, розвиток квантової механіки привів до розуміння дискретності енергетичних рівнів в атомному ядрі: це припущення висловила австрійська фізикиня Ліза Майтнер у 1922 році. Спектр частинок, що вилітають під час розпаду ядра, має бути дискретним, їхня енергія має дорівнювати різниці енергій рівнів, між якими відбувається перехід під час розпаду. Таким, наприклад, є спектр
Отже, неперервність спектра електронів
Гіпотезу про існування частинки, яка надзвичайно слабко взаємодіє з речовиною, висунув 4 грудня 1930 року Паулі — не в статті, а в неформальному листі до учасників фізичної конференції в Тюбінґені.
Згодом нейтроном назвали іншу частинку. А ту частинку, яку передбачив Паулі, італієць Енріко Фермі назвав у працях 1933—1934 років на італійський лад нейтрино.
На Сольвеївському конгресі 1933 року в Брюсселі Паулі виступив із доповіддю про механізм бета-розпаду за участю легкої нейтральної частинки зі спіном 1/2. Цей виступ фактично був першою офіційною публікацією, присвяченою нейтрино.
Потенціал Юкави, піони, мюони
Щоб описати сили, які зв’язують протони й нейтрони в ядрі, японський фізик Хідекі Юкава в 1935 році висунув гіпотезу про існування нового типу елементарних частинок із масою, проміжною між масами електрона та протона. У межах квантової теорії ці частинки мають бути переносниками сильної взаємодії, тобто квантами відповідного поля.
Тим часом у 1936 році Андерсон (той самий, який відкрив позитрони) під час дослідження космічних променів виявив нові частинки, мюони. Проходячи крізь магнітне поле, вони відхилялися менше, ніж електрони, але сильніше, ніж протони. Було зроблено припущення, що їхній електричний заряд дорівнює заряду електрона, і для пояснення різниці у відхиленні ці частинки мали б мати проміжну масу (між масою електрона та масою протона). Із цієї причини Андерсон спочатку назвав нову частинку «мезотрон», використовуючи префікс «мезо-» (від грецького слова «проміжний»).
Мюон вважали кандидатом на роль переносника сильної взаємодії в теорії Юкави. Однак було виявлено, що мюон не бере участі в сильних взаємодіях, і деякий час (до відкриття пі-мезона) така поведінка мюона залишалася загадкою. У зв’язку з потребою в різних позначеннях для різних типів мезонів мезотрон перейменували на «мю-мезон» (від грецької літери μ).
У 1947 році заряджені піони (або пі-мезони) експериментально виявила група дослідників під керівництвом Сесіла Френка Пауелла. Оскільки прискорювачів з енергією, достатньою для народження піонів, у той час ще не існувало, досліди проводили з фотопластинкою, піднятою за допомогою повітряної кулі на велику висоту, де на неї діяли космічні промені (фотопластинки також встановлювали в горах, наприклад, в астрофізичній лабораторії на вулкані Чакалтая в Андах). Після спуску повітряної кулі у фотоемульсії виявили сліди заряджених частинок, серед яких були пі-мезони.
Виявити нейтральний піон набагато складніше, оскільки через свою електричну нейтральність він не залишає слідів у фотоемульсії. Нейтральний піон було ідентифіковано за продуктами розпаду в 1950 році.
Невдовзі виявилося, що мю-мезон істотно відрізняється від інших мезонів (наприклад, його продукти розпаду включали нейтрино й антинейтрино, а не лише одне з них, як спостерігалося для інших мезонів). Отже, мю-мезони взагалі не були мезонами, і термін «мю-мезон» замінили сучасним терміном «мюон».
У 1949 році за передбачення існування мезонів і теоретичні дослідження природи ядерних сил Юкаві було присуджено Нобелівську премію. Також Нобелівської премії удостоївся й Пауелл «за розробку фотографічного методу дослідження ядерних процесів і відкриття мезонів, здійснене за допомогою цього методу».
Квантова електродинаміка
Попри певний успіх рівняння Дірака, воно не описувало процесів з елементарними частинками за великих енергій. Послідовним узагальненням квантової механіки на випадок великих швидкостей, порівнянних зі швидкістю світла, є квантова теорія поля.
У квантовопольових теоріях частинки матерії є «квантами» (збуреннями) відповідних полів. Кількість частинок більше не є фіксованою. Взаємодію між частинками переносять спеціальні поля. Припускається, що частинки матерії в процесі взаємодії випускають і поглинають інші частинки — кванти
У тридцятих роках учені не сумнівалися в принциповій можливості провести будь-які релятивістські квантові обчислення. Однак з’ясувалося, що багато квантовопольових виразів містять нескінченності. Під сумнівом опинилася принципова можливість об’єднання квантової механіки та спеціальної теорії відносності.
У сорокових роках завдяки вдосконаленим експериментальним методам було виявлено суперечності з теорією. Вілліс Лемб виявив тонке розщеплення спектральних ліній водню. Він виміряв різницю між двома рівнями, які в теорії Дірака мають збігатися. У 1955 році за цей експеримент Лемб отримав Нобелівську премію. Крім того, було виміряно аномальний магнітний момент електрона (перевищення над магнітним моментом, що випливає з рівняння Дірака).
У 1947 році Ганс Бете виконав перші нерелятивістські обчислення лембівського зсуву. Попри використані наближення, він отримав чудовий збіг з експериментом. В основі обчислень була проста ідея пов’язати нескінченності, що виникають, із поправками до маси та заряду електрона, які насправді фіксуються в експерименті. Тоді нескінченності «поглинаються» цими параметрами й залишається скінченний вираз, який збігається з експериментом. Така процедура отримала назву перенормування. Перенормування дає змогу отримати з нескінченних величин скінченні частини, а їхній збіг з експериментальними даними підтверджує коректність цієї процедури.
Квантову електродинаміку в остаточному коваріантному вигляді було побудовано через кілька років у працях Річарда Фейнмана, Джуліана Швінґера та Сін’їтіро Томонаґи, за що їх було удостоєно Нобелівської премії в 1965 році. Квантова електродинаміка розглядає взаємодію між зарядженими частинками (наприклад, електронами й позитронами), яка виникає внаслідок обміну фотонами — квантами електромагнітного поля.
Дотепер квантова електродинаміка залишається найточнішою фізичною теорією. Теоретичні обчислення згаданого вище аномального магнітного моменту електрона в межах квантової електродинаміки збігаються з результатами експериментів з точністю до 10−10.
Дослідження слабких взаємодій
Історично першим прикладом процесів, зумовлених слабкою взаємодією, був бета-розпад. Енріко Фермі запропонував модель слабкої взаємодії як контактної взаємодії між чотирма ферміонами. Однак, на відміну від квантової електродинаміки, ця модель була неперенормовною. Вона давала змогу наближено описувати низькоенергетичні процеси.
Тривалий час вважали, що закони природи симетричні відносно дзеркального відображення. Це означає, що результат будь-якого експерименту на певній установці має бути таким самим, як і результат експерименту на
У 1957 році Роберт Маршак і Джордж Сударшан та, дещо пізніше, Річард Фейнман і Мюррей Ґелл-Манн запропонували опис слабкої взаємодії, яка порушує симетрію дзеркального відображення. Фейнман у 1963 році сказав із цього приводу таке: «Відкриття
Об’єднання електромагнітних і слабких взаємодій
Квантова електродинаміка має симетрію відносно перетворень, які називають калібрувальними. У п’ятдесятих роках Чженьнін Янґ і Роберт Міллс побудували модель, рівняння якої не змінювалися під дією складніших локальних калібрувальних перетворень. Спочатку інтерес був суто математичним. Однак згодом на основі теорії Янґа — Міллса створили основні сучасні моделі взаємодії елементарних частинок — теорію електрослабких взаємодій і квантову хромодинаміку.
У шістдесятих роках вдалося об’єднати електромагнетизм і слабкі взаємодії. Шелдон Ґлешоу, Стівен Вайнберґ і Абдус Салам побудували теорію електрослабких взаємодій. У 1979 році їм було присуджено Нобелівську премію. Нова теорія передбачила існування нових частинок, так званих W- і
Здавалося б, як можна об’єднати електромагнітні та слабкі взаємодії, якщо в перших радіус взаємодії нескінченний (справді, ми бачимо світло — електромагнітне випромінювання — від далеких галактик та інших астрономічних об’єктів), а в других він не перевищує розмірів атомного ядра? Виявляється, така «несиметричність» пов’язана з тим, що маса фотонів дорівнює нулю, а маса W- і
Порушення так званої електрослабкої симетрії є важливою властивістю теорії електрослабких взаємодій (цю симетрію мають рівняння теорії). У результаті порушення W- і
Для такого порушення було запропоновано механізм Гіґґса. Один із наслідків цього механізму — існування нової частинки, гіґґсівського бозона. Бозон Гіґґса — дуже важка частинка, важча за W- і
Доведення перенормовності такої моделі, отримане Мартінусом Велтманом і Ґерардом ’т Гоофтом, було відзначено Нобелівською премією з фізики за 1999 рік.
Адрони, кварки та квантова хромодинаміка
У 1950-ті роки було відкрито величезну кількість нових елементарних частинок, більшість із яких мала дуже малий час життя. Усі ці частинки були сильновзаємодійними: інтенсивності їхнього розсіяння одна на одній були подібними до інтенсивностей взаємодії нуклонів і піонів та помітно перевищували інтенсивності взаємодії з електронами.
Серед цих адронів (частинок, що беруть участь у сильній взаємодії, на відміну від лептонів, які не беруть у ній участі) були як мезони, так і баріони. Вони мали різні спіни й заряди; у їхньому розподілі за масами та в найімовірніших варіантах розпаду простежувалася певна закономірність, однак звідки вона бралася — було невідомо.
За аналогією з піон-нуклонним розсіянням було побудовано модель сильних взаємодій цих адронів, у якій кожному типу взаємодії, кожному типу розпаду відповідала певна власна стала взаємодії. Крім того, деякі зі спостережуваних залежностей не вдавалося пояснити, і їх просто постулювали у вигляді «правил гри», яким підкоряються адрони. Попри те що загалом цей опис працював, він, безумовно, був незадовільним із погляду теорії: надто багато доводилося постулювати, велику кількість вільних параметрів вводили цілком довільно й без жодної структури.
У 1964 році Мюррей Ґелл-Манн і Джордж Цвейґ запропонували кваркову модель адронів. Вони виявили певну симетрію властивостей адронів і зрозуміли, що принципових ступенів свободи під час «конструювання» адронів зовсім не так багато. Ці ступені свободи отримали назву кварків. За допомогою трьох типів (або, як кажуть фізики, ароматів) кварків — верхнього, нижнього та дивного — можна було пояснити всі відомі тоді адрони. «За відкриття, пов’язані з класифікацією елементарних частинок та їхніх взаємодій» Ґелл-Манн отримав Нобелівську премію в 1969 році.
Протягом року кваркову модель було розширено. Шелдон Ґлешоу та Джеймс Бйоркен, намагаючись побудувати модель слабкої взаємодії кварків, припустили існування нового типу кварків, зачарованого.
Оскільки вільних кварків не було виявлено, вважали, що кварки є лише зручними математичними конструкціями, а не реальними частинками. Експерименти, проведені в 1968 році на прискорювачі SLAC (Стенфордський лінійний прискорювальний центр), продемонстрували, що кварки — не просто абстрактні ступені свободи адрона, а реальні частинки, які складають адрон і мають такі характеристики, як імпульс, заряд і спін.
Неспостереження вільних кварків отримало назву конфайнменту. Оскільки сила взаємодії між кварками, зумовлена обміном глюонами, не зменшується з відстанню, припускається, що кварки та глюони ніколи не можуть бути звільнені з адрона.
У 1973 році Тосіхіде Маскава та Макото Кобаясі у спільній роботі показали, що за умови існування «третього покоління» (ще двох) кварків можна теоретично пояснити порушення CP-симетрії (одночасне відображення в дзеркалі та заміна частинок на античастинки), відкрите в 1964 році Джеймсом Кроніном і Велом Фітчем та відзначене Нобелівською премією 1980 року. Усі передбачені кварки було відкрито: зачарований у 1974 році, красивий у 1977 році та істинний у 1995 році. Передбачення Маскави та Кобаясі щодо CP-порушення за участю частинок, які містять красивий кварк, було перевірено в експериментах із 2002 до 2007 року. У 2008 році ці вчені отримали Нобелівську премію.
Теорія сильних взаємодій, квантова хромодинаміка, також ґрунтується на рівняннях Янґа — Міллса. Через складність рівнянь квантової хромодинаміки конфайнмент досі не виведено з них безпосередньо. До речі, розв’язання рівнянь Янґа — Міллса та пояснення конфайнменту є однією із семи задач тисячоліття, за які інститут Клея призначив винагороду в мільйон доларів.
Попри зазначені труднощі квантової хромодинаміки, відкриття асимптотичної свободи Девідом Ґроссом, Девідом Політцером і Френком Вільчеком дало змогу зробити багато точних передбачень для високоенергетичних процесів, які підтвердилися на прискорювачах. Ці вчені отримали Нобелівську премію в 2004 році.
Стандартна модель
Стандартна модель фундаментальних взаємодій включає в себе модель електрослабких взаємодій і квантову хромодинаміку. Стандартна модель виявилася здатною пояснити практично всі експериментальні дані, отримані до цього часу у фізиці елементарних частинок.
Фундаментальними частинками Стандартної моделі є кварки та лептони, об’єднані в покоління по два кварки й два лептони. У першому поколінні містяться верхній і нижній кварки, а також електрон і електронне нейтрино. У другому поколінні — дивний і зачарований кварки та мюон із мюонним нейтрино (з’ясувалося, що кожному лептону відповідає власне нейтрино). Тау-лептон (від грецької літери τ) входить до третього покоління. Цю частинку відкрили на
Кварки й лептони — частинки матерії. Крім них, у Стандартній моделі є переносники взаємодій: фотон (електромагнітна взаємодія), W- і
Властивості частинок повторюються з покоління в покоління. Єдиний виняток — маса: частинки старших поколінь важчі. Наприклад, мюон у 207 разів важчий за електрон, а в решті їхні властивості збігаються.
Практично вся речовина у Всесвіті складається з частинок першого покоління. Так, протони й нейтрони складаються з верхніх і нижніх кварків, до атомів входять електрони.
Без відповідей залишається багато питань. Чому частинки групуються в покоління? Навіщо природі знадобилися саме три покоління? Або, можливо, існує ще одне покоління дуже важких частинок, недоступних (поки що?) для спостереження? Ці питання будуть предметом подальших досліджень.
Висновок
Основні тенденції в розвитку фізики високих енергій
Одна з найплідніших ідей у теоретичній фізиці високих енергій — ідея симетрії. Під симетрією фізичної теорії розуміють незмінність її рівнянь при виконанні будь-яких перетворень.
В основі спеціальної теорії відносності лежить інваріантність щодо перетворень Лоренца (поворотів і зсувів у просторі, а також переходів з однієї інерціальної системи відліку в іншу). Лоренц-інваріантність є однією з основних вимог до фізичних теорій. Порушення лоренц-інваріантності ніколи не спостерігалися в експериментах.
Іншим важливим типом симетрій є внутрішні симетрії. На принципі калібрувальної інваріантності побудовано основні теорії, що входять до Стандартної моделі: модель електрослабких взаємодій і квантову хромодинаміку.
Ще одна ідея, яка займала найкращі уми сучасності, — об’єднання різних взаємодій в одну. Справді, досі скорочення кількості законів, що описують світ, було однією з основних тенденцій у побудові наукових теорій. При цьому головною метою завжди залишалася і залишається побудова єдиної теорії поля, яка б об’єднала всі знання людства про природу і з якої можна було б вивести (хоча б у принципі) всі закони як часткові випадки такої теорії.
Побудова єдиної теорії поля поки що далека від завершення. Однак на цьому шляху було досягнуто певних успіхів. Так, у Стандартній моделі вже об’єднано електромагнітну і слабку взаємодії.
За межами Стандартної моделі
Стандартна модель описує практично всі експериментальні дані, отримані на прискорювачах. Однак останню частинку Стандартної моделі, бозон Гіґґса, ще не знайдено. Пошук бозона Гіґґса — одне з головних завдань Великого адронного колайдера, який уже працює в ЦЕРНі. Також очікується, що на ньому буде виявлено відхилення від Стандартної моделі, тому що, попри її величезні успіхи, у ній є низка моментів, незадовільних з погляду теорії і таких, що заважають їй бути остаточною теорією, яка описує наш світ.
Існують певні вказівки на те, що за величезних енергій, які в мільярд разів перевищують розрахункову енергію Великого адронного колайдера, електрослабка взаємодія об’єднується із сильною («велике об’єднання»), а якщо енергію збільшити ще в тисячу разів (планківська енергія), то гравітація, яка в нинішніх лабораторних умовах нехтовно слабка, зрівнюється за інтенсивністю з іншими взаємодіями.
Квантова теорія поля дає змогу розрахувати, як змінюється інтенсивність взаємодій зі зростанням енергії. Природно очікувати, що якщо за якоїсь енергії відбувається об’єднання взаємодій, то й їхні інтенсивності мають вирівнюватися при наближенні до цієї енергії. Виявляється, що на масштабі великого об’єднання у Стандартній моделі такого вирівнювання не відбувається.
Крім того, Стандартна модель взагалі не включає гравітацію. З одного боку, тому, що в сьогоднішніх експериментах нею можна знехтувати, з іншого боку, тому, що теорія гравітації — загальна теорія відносності — є класичною теорією. Квантову гравітацію досі не побудовано, оскільки існують величезні проблеми в об’єднанні квантової механіки і загальної теорії відносності. Зокрема, тривіальна спроба проквантувати гравітацію приводить до неперенормовної теорії.
З огляду на зазначені труднощі фізики шукають заміну Стандартній моделі. Одним зі шляхів подолання цих труднощів є суперсиметрія. Суперсиметрія — це симетрія між частинками з цілим і напівцілим спіном. Ідею суперсиметрії було запропоновано в теоретичних працях близько 40 років тому в працях Д. В. Волкова, В. П. Акулова, Гольфанда і Ліхтмана, Волкова і Акулова, а також Весса і Зуміно. Коротко вона полягає в побудові теорій, рівняння яких не змінювалися б при перетворенні полів із цілим спіном на поля з напівцілим спіном і навпаки. Енергія порушення суперсиметрії доступна Великому адронному колайдеру, тому низькоенергетичну суперсиметрію буде або відкрито на ньому, або спростовано.
У суперсиметричному розширенні Стандартної моделі на масштабі великого об’єднання інтенсивності взаємодій вирівнюються. До того ж у рамках суперсиметрії можливе об’єднання з гравітацією.
Нові дані, отримані в астрофізиці та космології, не могли пройти повз увагу фахівців із фізики елементарних частинок. По-перше, останнім часом з’ясувалося, що звичайна баріонна матерія становить близько 4% усієї енергії Всесвіту. 23% припадає на темну матерію (виявлену за відхиленням швидкостей зір у галактиках від передбачень ньютонівської механіки) і 73% — на темну енергію (проявляється у прискореному розширенні Всесвіту в теперішній час).
У Стандартній моделі, на відміну від її суперсиметричного розширення, немає кандидата на роль частинки темної матерії. Природа ж темної енергії взагалі неясна. Найбільше темна енергія «схожа» на власну енергію вакууму, проте оцінки в рамках наявних теорій розходяться з експериментом на багато десятків або навіть на сотні порядків. Проблема темної енергії — справжній виклик фізикам XXI століття.
Є інші моделі, що претендують на роль єдиних теорій. Наприклад, теорія суперструн пропонує свій спосіб побудови квантової гравітації. Однак у теперішній час не існує експериментів або спостережень, які змогли б довести або спростувати такі моделі.
Література
- Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц. — М.: Наука, 1988.
- Окунь Л. Б. Лептоны и кварки. — М.: Наука, 1981.
- Дирак П. А. М. Пути физики. Под ред. Г. Хора, Дж. Шепанского: Пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 88 с.
- Белокуров В. В., Ширков Д. В. Теория взаимодействий частиц. — М: Наука, 1986. — 160 с.
- Фейнман Р., Характер физических законов, М.: Наука, Изд. второе, исправленное, 1987.
- Гейзенберг В., Шредингер Э., Дирак П. А. М. Современная квантовая механика. Три нобелевских доклада. Л.-М.: Гостехиздат, 1934.
- Хунд Ф., История квантовой теории. Пер с нем. Киев: Наукова думка, 1980. — 244с.
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (0):