15 сентября 2006 г.

Дифракция в физике элементарных частиц: рассказ первый

О том, что протоны, нейтроны и другие сильно взаимодействующие элементарные частицы состоят из кварков, пишут уже в школьных учебниках. Протон, например, состоит из трёх кварков, которые удерживаются вместе сильным взаимодействием. На самом же деле устройство протона несравненно более удивительно и разнообразно,
чем такая приближённая картинка. В определенных условиях внутри протона сами собой складываются сложные и хрупкие динамические структуры. Дифракционные процессы в столкновения частиц -- этот как раз способ обнаружить и изучить эти структуры.

РАССКАЗ ПЕРВЫЙ: ЧТО И КАК ИЗУЧАЕТСЯ В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Как элементарные частицы изучаются в эксперименте?

Поскольку элементарные частицы и так являются самыми маленькими частицами вещества, их нельзя "разрезать на кусочки" чем-то более острым. Поэтому единственный способ узнать об их устройстве -- это разогнать частицы до очень высоких скоростей, столкнуть друг с другом и посмотреть, что из этого получится. Именно для этого строятся ускорители элементарных частиц, а точка столкновения частиц обставляется чувствительными приборами --
детекторами.

Даже если встречные пучки элемнетарных частиц сфокусировать и направить друг в друга, то в большинстве случаев исходные частицы просто пролетают мимо, не испытывая никаких превращений и лишь слегка отклоняясь от первоначального пути. Такой процесс называется упругим рассеянием, и из него можно извлечь очень немного информации об устройстве частиц. Однако изредка происходят и столкновения "лоб в лоб", и тогда запасенная в частицах энергия тратится на рождение множества новых частиц. Такие реакции называются неупругими. Величину неупругости можно определить количественно. Если, например, в высокоэнергетическом столкновении электрона и протона электрон лишь отклонился, а протон превратился в какой-то слегка более тяжёлый барион (например, в возбуждённое состояние протона N*), то это процесс с небольшой неупругостью, поскольку лишь небольшая часть первоначальной энергии потратилась на изменение внутреннего состояния частицы. Если же, наоборот, в этом столкновении вместо протона возникла целая лавина разнообразных адронов с большой суммарной массой, то такой процесс называется глубоко-неупругим рассеянием электрона.

Родившиеся частицы разлетаются из точки столкновения, проходят сквозь детекторы, оставляют там свой след. Анализируя данные детекторов, физики могут восстановить то, какие частицы родились в реакции, каковы их массы, времена полураспада, угловое распределение, поляризация и так далее. Сравнивая эти данные с теоретическими расчётами и позволяет делать выводы о внутреннем устройстве и свойствах частиц.

Первый классический эксперимент такого типа провёл Эрнест Резерфорд в 1911 году. Облучив тонкую металлическую фольгу альфа-частицами, он обнаружил, что некоторые из них отклоняются на очень большие углы. Если бы атомы были рыхлыми, равномерно заполненными веществом шариками, то такого сильного упругого рассеяния просто не могло бы произойти. Если же внутри атомы есть очень компактное положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, то столь сильное отклонение альфа-частиц становится возможным. Так угловое распределение рассеянных частиц позволило установить структуру атома.

Похожие по духу эксперименты использутся физиками и сейчас, когда требуется "прощупать" компактную сердцевину внутри какой-то частицы.

Какие реакции столкновения выбрать?

В физике элементарных частиц есть три основных взаимодействия -- электромагнитное, сильное и слабое, и каждое из них влияет на процессы столкновения, рождения и распада частиц самыми разными способами. Естественно желание распутать этот клубок: для каждого взаимодействия,
для каждого проявления тех или иных сил найти такую реакцию, в которой оно выступало бы в наиболее чистом виде.

Например, низкоэнергетические процессы с участием одних лишь электронов, позитронов и фотонов являются идеальной проверкой для теории электромагнитных взаимодействий, поскольку электроны в сильных взаимодействиях не участвуют, а слабыми взаимодействиями при низких энергиях можно пренебречь.

Для изучения слабых взаимодействий удобно следить за распадами
метастабильных адронов либо за реакциями с участием нейтрино. В Стандартной модели физики элементарных частиц считается, что слабое и электромагнитное взаимодействия являются двумя разными проявлениями единого электрослабого взаимодействия. Для изучения деталей того, как именно происходит такое объединение, полезно смотреть на высокоэнергетические реакции с участием электронов, в которых не рождаются адроны. Выделение именно этого класса реакций из всей мешанины возможных высокоэнегетических реакций -- непростая экспериментальная задача, но она вполне осуществима.

Наконец, если мы хотим изучать сильные взаимодействия, то сталкивать надо сильно взаимодействующие частицы -- адроны. "Зоопарк" адронов очень разнообразен, и потому можно поинтересоваться, прежде всего, их классификацией и статическими характеристиками: массами, арядами, спинами, магнитными моментами и другими численными характеристиками, которвые совокупно называются квантовыми числами адронов. Всем этим занимается адронная спектроскопия. Стандартные эксперименты в этой области -- это низкоэнергетические реакции перехода между всевозможными адронами, зависимость этих реакций от энергии, от поляризации и т.д.

Адронная спектроскопия может показаться скучным занятием, чем-то сродни "переписи населения", но уже в ней открывается целый ряд замечательных свойств адронов. Бросается в глаза их группировка в мультиплеты и супермультиплеты, причём в реакциях с участием партнеров по мультиплету прослеживаются простые численные закономерности, объясняемые теорией групп. Количество адронов в одном супермультиплете и значения их масс тоже подчинаются простым соотношениям. Именно они сорок лет назад натолкнули учёных на простую структуру, лежащую в основе всех адронов, а затем и на кварковую модель. Ещё одним замечательным открытием является обнаруженная более сорока лет назад примерно линейная зависимость между спином адрона и квадратом его массы (график Чу-Фротши), давшая толчок струнным моделям адронов.

Может показаться удивительным, но адронная спектроскопия до сих пор остаётся жарким полем битв теоретиков. Ежемесячно публикуются десятки научных статей, посвященных эпопее с открытием и закрытием(?) пентакварка, непонятному статусу лёгких скалярных мезонов (есть они или нет их?), структуре a0 и f0 мезонов, поиску глюболов и прочей экзотики. Связано это прежде всего с тем, что общей теории, позволившей вычислить свойства адронов исходя из кваркового состава, пока не создано. И задача это не столько физическая, сколько математическая: не зря за решение этой задачи (правда, в более широком контексте) Математический Институт Клея присудил премию в миллион долларов.

Если энергию адронов увеличить на один-два порядка, то картина их столкновения полностью преображается. Вместо соударений и взаимопревращений многочисленных адронов, центральным процессом становится жёсткое столкновение отдельных кварков и глюонов из встречных частиц. Испытав упругое рассеяние на большие углы, эти кварки пытаются разлететься, но за ними тянется шлейф из глюонных сил, который затем превращается в многочисленные летящие во все стороны адроны -- происходит адронизация.

Реакции такого типа -- жёсткие адронные столкновения -- в чём-то проще, а в чём-то сложнее низкоэнергетических процессов. Простота состоит в том, что главный процесс, кварк-кварковое, глюон-глюонное или кварк-глюонное столкновение, можно во всех деталях и с высокой точностью вычислить теоретически. Поэтому такие реакции помогают понять поведение отдельных кварков и глюонов. Однако на пути от точки реакции в детектору кварки и глюоны неизбежно претерпевают адронизацию -- и вот её-то теоретики описывать пока не умеют. Поэтому задача сравнения теоретических предсказаний с экспериментом становится очень тяжёлой.

Может показаться, что узнав общие, статические свойства адронов и их глубинную, "самую микроскопическую" структуру, мы узнали о них всё. 1970-е годы принесли удивительное открытие, что это далеко не так. Оказывается, что в быстро движущемся адроне существуют новые динамические структуры. Они не проявляются в свойствах неподвижных адронов просто потому, что для развития им нужна большая скорость. Они "не видны" также и на уровне отдельных кварков и глюонов, поскольку жёсткие столкновения и последующая адронизация попростую разрушают эти структуры. Структуры эти проявляются в особом режиме адронных столкновений, называемом дифракцией. Но об этом -- в следующем рассказе.

[Комментарии на Элементах]

Комментариев нет:

Отправить комментарий