Эксцентричные элементарные частицы
«Чем больше Пух заглядывал внутрь, тем больше Пятачка там не было» — эта, в некоторых кругах, культовая цитата из известной детской книги, могла бы резюмировать последние приключения в физике элементарных частиц. Чем лучше мы познаем этот мир, тем больше удивительных вещей и загадок мы встречаем, и тем больше мы не видим удовлетворительных ответов.
Одними из самых известных аутсайдеров Стандартной модели являются нейтрино. Первоначально научные теории предполагали, что они вообще не имеют права иметь массу. В 1998 году японский детектор Супер-Камиоканде впервые зафиксировал распад мюонного нейтрино на электронные и тау-нейтрино. Подобные явления возможны только тогда, когда частицы имеют массу. Так что вывод был очевиден — нейтрино имеют массу.
Здесь стоит пояснить, что электронные нейтрино могут породить электрон (при столкновении, например, с ядром атома), мюонные нейтрино могут породить мюон, а таонное нейтрино — таон. Именно по этим продуктам распада, или, как говорят физики, «ароматам», мы их различаем.
Открытие было удостоено Нобелевской премии в 2015 году, но когнитивная тревога у физиков осталась. Ибо осцилляции нейтрино, по мнению многих из них, являются следом чего-то совершенно иного, совершенно нового и выходящего за пределы Стандартной модели. Однако многие надеются, что нейтрино и антиматерия колеблются по-разному, что недавно было зафиксировано в Супер-Камиоканде, и что нарушило бы симметрию, возможно решив тайну преобладания материи над антиматерией в известной Вселенной.
Однако нейтрино трудно изучать, поскольку они почти не взаимодействуют с другими компонентами материи. Возможно, их поведение — это отголосок другого удара, силы, выходящей за рамки четырех известных нам фундаментальных. Возможно, как иногда подозревают, нейтрино являются и частицами, и их античастицами, а может быть, ученым удастся найти «стерильное» нейтрино, которое, учитывая предполагаемую массивность, могло бы объяснить тайну антиматерии. Все это может быть связано с тем, что явления в таких центрах, как Супер-Камиоканде, имеют масштаб ничтожных нескольких десятков частиц. Слишком мало, чтобы делать какие-то общие выводы и предвосхищать природу этих явлений.
Новые эксперименты, запланированные в США и Японии, а именно DUNE и Hyper-Kamiokande, призваны ответить на вопрос об асимметрии нейтрино. Это будут действительно отличные впечатления. Например, детектор Гипер-Камиоканде будет в двадцать пять раз больше нынешнего Супер-Камиоканде. Речь идет об экспериментах, в которых будет очень сильный пучок нейтрино и очень большие детекторы, чтобы собрать как можно больше детектирований этих взаимодействий. Потому что чем больше мы соберем, тем больше будем уверены в том, что между нейтрино и антинейтрино есть разница.
Частицы не идеальные сферы
Стандартная модель, как и модель, предсказывает различные модельные и совершенные явления, например идеальную сферичность частиц, в том числе электронов. Однако физики не довольствуются идеалом и в последнее время ищут неоднородности в частицах, в том числе и в электронах — они хотят видеть внутри себя образование электрических диполей (называемых ЭДМ), которые немного отделяют отрицательный заряд от положительного.
«Если мы откроем EDM, мы откроем совершенно новую физику», — сказал Брент Граннер из Университета штата Вашингтон в Сиэтле в ноябрьском номере NewScientist. Однако отклонения EDM еще предстоит бесспорно отслеживать и измерять, и это непросто, поскольку размер диполя EDM оценивается в 10-28 размера заряда электрона.
Менее известный и популярный родственник электрона — мюон — еще один известный чудак. Уже эксперименты в лаборатории в Брукхейвене в 2001 году показали, что магнитный момент мюона имеет тенденцию значительно отклоняться, намного превосходя предсказания Стандартной модели. К сожалению, эти эксперименты были прекращены. В 2018 году в Фермилабе планируется проект «Мион g-2», чтобы проверить странную природу мюона.
я прихожу и ухожу
Одним из самых интересных явлений в области квантовой механики и понятием, которое часто упоминается при описании физических явлений, являются так называемые виртуальные частицы. В 1948 году голландский физик Хендрик Казимир сформулировал теорию, предсказывающую их существование. Однако в его время эта техника не позволяла проводить эксперименты, которые позволили бы их обнаружить. Их присутствие было подтверждено только в последние десятилетия.
В опытах в вакууме было замечено притяжение двух идеально гладких пластин, застывших до температуры абсолютного нуля. Оказалось, что виртуальные частицы то и дело создаются и быстро исчезают, создавая давление, которое двигает пластины. Они возникают из ничего. Это обычная (скажем) энергия вакуума.
Виртуальные частицы переводятся как «подготовительные состояния» для образования реальной материи. Вопреки распространенному мнению, виртуальные частицы не нарушают физических правил поведения. Согласно теории Ричарда Фейнмана, каждая физическая частица на самом деле представляет собой конгломерат виртуальных частиц. Например, физический электрон на самом деле является виртуальным электроном, испускающим виртуальные фотоны, которые распадаются на виртуальные пары электрон-позитрон, которые, в свою очередь, взаимодействуют с виртуальными фотонами — и так до бесконечности.
Попытка визуализировать концепцию виртуальных частиц — фотонов, испускаемых электроном.
«Физический» электрон — это постоянно происходящий процесс обмена между виртуальными электронами, позитронами, фотонами и, возможно, другими частицами. «Реальность» электрона — это статистическое понятие. Нельзя сказать, какая частица из этого множества действительно реальна, известно только, что сумма зарядов всех этих частиц дает заряд электрона (т. е. проще говоря: должен быть еще один виртуальный электрон чем виртуальные позитроны) и что сумма масс всех частиц дает массу электрона.
Концепция виртуальных частиц встречается во многих областях современной физики и астрофизики, вплоть до черных дыр и искривления пространства-времени. Безусловно, они правители царства эксцентричных частиц, ибо что может быть более странным, чем что-либо другое.
