История развития теоретической физики высоких энергий

Введение

Физика элементарных частиц (или физика высоких энергий) — это наука исключительно XX века, которая целиком основана на квантовых представлениях о мире. Ее теоретические и экспериментальные методы развивались вместе. Во многих экспериментах находили новые частицы, но иногда и теоретики предсказывали существование неизвестных ранее частиц.

Можно смело утверждать, что физика элементарных частиц — одна из немногих областей человеческого знания, где удалось проникнуть глубже всего в тайны материи и объяснить ее свойства.

По традиции выделяют четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Первые два обладают дальнодействием и давно знакомы человеку. Гравитация, например, управляет движением небесных тел. Все мы испытываем гравитационное притяжение Земли. Электромагнетизм объясняет большинство сил, с которыми сталкивается человек в повседневной жизни. Два других взаимодействия короткодействующие. Они проявляются только на масштабах атомного ядра (объясняют альфа- и бета-распад) и становятся определяющими на еще меньших масштабах.

Далее мы рассмотрим открытия и работы, которые привели к становлению квантовой механики и появлению современных теоретических моделей фундаментальных взаимодействий, набор которых называют стандартной моделью. К успехам стандартной модели относится описание практически всех данных, полученных в ускорительных экспериментах, а также объединение электромагнитных и слабых взаимодействий в единое электрослабое взаимодействие.

В заключительной части выделим основные идеи, определившие развитие физики высоких энергий, а также опишем современные проблемы и перспективы будущих открытий.

Развитие теоретической физики высоких энергий

Открытие электрона

Представление о структуре атома развивалось постепенно. Мы начнем обсуждение с открытия электрона.

В 1859 году Юлиус Плюккер открыл катодные лучи. Это лучи, испускаемые разогретым катодом в вакуумной трубке. Они способны вызывать свечение некоторых веществ. Также они обладают кинетической энергией и способны раскручивать легкую вертушку. В 1895 году Жан Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц, которые движутся прямолинейно, но могут отклоняться магнитным полем.

С 1895 года Джозеф Джон Томсон в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета начинает методическое количественное изучение отклонения катодных лучей в электрических и магнитных полях. Итоги этой работы были опубликованы в 1897 году в октябрьском номере журнала «Philosophical Magazine». В своем опыте Томсон доказал, что все частицы, образующие катодные лучи, тождественны друг другу, так как обладают одинаковым отношением заряда к массе, и входят в состав вещества. Так был открыт электрон.

Томсон предложил модель атома, которую иногда называют «пудинг с изюмом». По этой модели атом — положительно заряженное тело с заключенными внутри электронами. Эта модель не объясняла дискретный характер излучения атомов и позднее была опровергнута Эрнестом Резерфордом.

В 1906 году Томсон получил Нобелевскую премию по физике «в знак признания заслуг в области теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества в газах». Катодными лучами так же занимался Филипп Ленард, получивший за свои исследования Нобелевскую премию 1905 года.

Корпускулярная природа света

Главные теории, лежащие в основе современных физических представлений о мире, квантовая механика и теория относительности, родились из двух небольших проблем (на фоне огромных успехов) классической физики конца XIX века: объяснение спектра излучения абсолютно черного тела и неудачные попытки измерения абсолютной скорости Земли (скорости по отношению к эфиру).

В 1900 году Макс Планк обнаружил, что спектр излучения абсолютно черного тела — зависимость интенсивности от частоты — можно количественно описать, если предположить, что электромагнитная энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями — квантами. Квант электромагнитного излучения называется фотоном. При этом нужно считать, что энергия фотона пропорциональна частоте излучения: E = hν.

Макс Планк получил Нобелевскую премию в 1918 году с формулировкой «в знак признания его заслуг в развитии физики благодаря открытию квантов энергии».

Другое явление, которое не могло быть объяснено классической физикой, это фотоэффект. (Интересно, что фотоэффект в электролитах в 1839 году наблюдал Александр Эдмон Беккерель, отец Антуана Анри Беккереля, открывшего радиоактивность, о чем будет сказано ниже.)

Уиллоуби Смит в 1873 году обнаружил, что селен является фотопроводящим. Затем эффект изучался в 1887 году Генрихом Герцем. В 1888-1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов.

Как показали эксперименты, энергия электронов, вырываемых электромагнитными волнами из металлических пластинок, зависит только от длины волны, но не от ее интенсивности. Также наблюдалась «безынерционность» фотоэффекта: даже при облучении пластинок очень слабым светом некоторые электроны вырываются сразу после включения освещения. Этот факт противоречит классической электродинамике, так как слабому полю нужно больше времени, чтобы раскачать электроны до нужной амплитуды.

Теоретическое объяснение фотоэффекту было предложено Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Его идея заключалась в том, что свет не только испускается, но и распространяется квантами. Эта идея подтверждается безынерционностью фотоэффекта. Поскольку энергия фотонов зависит только от частоты (и не зависит от интенсивности света), то и энергия фотоэлектронов тоже должна зависеть только от частоты. За это открытие Эйнштейн получил нобелевскую премию в 1921 году.

Радиоактивность

Открытие явления радиоактивности, как и любое настоящее открытие, было сделано абсолютно случайно. В 1896 году Антуан Анри Беккерель занимался люминесценцией и исследованием рентгеновских лучей. Он хотел выяснить, не сопровождается ли всякая люминесценция — свечение вещества в результате поглощения энергии возбуждения — еще и испусканием рентгеновских лучей.

Для проверки своей догадки он наугад взял одну из солей урана, фосфоресцирующего желто-зеленым светом. После освещения солнечным светом он завернул соль в черную бумагу и положил в темный шкаф на фотопластинку, тоже завернутую в черную бумагу. Через некоторое время, проявив пластинку, Беккерель действительно увидел изображение куска соли. Люминесцентное излучение (свет) не могло пройти через черную бумагу, и только рентгеновские лучи могли в этих условиях засветить пластинку. Беккерель повторил опыт несколько раз и обнаружил воспроизводимость результата. В конце февраля 1896 года на заседании Французской Академии наук он сделал сообщение о рентгеновском излучении фосфоресцирующих веществ.

Через некоторое время в лаборатории Беккереля была случайно проявлена пластинка, на которой лежала не облученная Солнцем урановая соль. Она, естественно, не фосфоресцировала, но всё равно оставляла на пластинке изображение. Тогда Беккерель стал испытывать разные соли урана (в том числе годами лежащие в темноте). Пластинка неизменно засвечивалась. Поместив между солью и пластинкой металлический крестик, Беккерель получил слабые контуры крестика на пластинке. Тогда стало ясно, что открыты новые лучи, не являющиеся рентгеновскими.

Беккерель установил, что интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. То есть это свойство присуще не соединениям, а химическому элементу — урану.

В 1898 году Мария и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория, позднее ими были открыты радиоактивные элементы полоний и радий. Они устанавливают, что свойством естественной радиоактивности обладают все соединения урана и в наибольшей степени сам уран.

За открытие радиоактивности Беккерель совместно с супругами Кюри получил нобелевскую премию в 1903 году.

Природу новых лучей, испускаемых радиоактивными источниками, помогло прояснить их поведение в магнитном поле. В 1897 году Резерфорд открыл, что радиоактивное излучение состоит из положительно заряженных α-лучей и отрицательно заряженных β-лучей. В 1907 году Резерфорд совместно с Томасом Ройдсом установили, что α-частицы — это ядра гелия (если быть точным, положительно заряженные ионы гелия, так как атомное ядро тогда еще не было открыто). β-частицы оказались электронами. Поль Виллард в 1900 году обнаружил незаряженные γ-лучи. Это электромагнитное излучение с длиной волны, еще меньшей чем у рентгеновского излучения.

Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии в 1908 году за исследования радиоактивного распада и химических превращений радиоактивных веществ.

Структура атома

В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден под руководством Резерфорда провели эксперимент по облучению золотой фольги α-частицами. На основе этого эксперимента Резерфорд предложил планетарную модель атома.

Результаты эксперимента заключались в следующем. Большинство α-частиц проходило через фольгу, не отклоняясь и не теряя скорости. Однако малая доля частиц отклонялась в разных направлениях, в том числе и назад.

Согласно планетарной модели почти вся масса атома сосредоточена в ядре, размеры которого гораздо меньше размеров атома. Электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Поэтому большинство α-частиц свободно пролетало через вещество (возможные столкновения с электронами не приводили к существенному изменению траектории, так как электроны намного легче α-частиц), и только некоторые, сталкиваясь с тяжелым ядром, отклонялись.

В целом значение эксперимента Гейгера-Марсдена трудно переоценить. Практически все эксперименты в физике высоких энергий построены по такой же схеме, когда поток частиц попадает на мишень. Постановку эксперимента Гейгера-Марсдена с полным правом можно назвать классической.

Планетарная модель атома, построенная на классической физике, не могла дать количественного описания атомов. Согласно классической электродинамике, электрон, вращающийся вокруг ядра, должен излучать энергию, так как движется с переменным ускорением. За малое время (10⁻⁸ c) электрон должен упасть на ядро.

В 1913 году Нильс Бор построил полуквантовую модель атома водорода. Его работа «О строении атомов и молекул» была опубликована в трех частях в «Philosophical Magazine». В теории Бора можно выделить два основных компонента: общие утверждения (постулаты) о поведении атомных систем, сохраняющие свое значение и всесторонне проверенные, и конкретная модель строения атома, представляющая в наши дни лишь исторический интерес.

Постулаты Бора содержат предположения о существовании стационарных состояний и об излучательных переходах между ними в соответствии с представлениями Планка о квантовании энергии вещества. Модельная теория атома Бора исходит из предположения о возможности описания движения электронов в атоме, находящемся в стационарном состоянии, на основе классической физики, на которое накладываются дополнительные квантовые условия (например, квантование углового момента электрона).

Теория Бора сразу же позволила обосновать дискретный спектр испускания и поглощения излучения водородом и вычислять конкретные длины волн излучения. Однако эта теория не работает для более сложных атомов с несколькими электронами. К тому же модель атома Бора внутренне противоречива. Она использует классическое уравнение движения электрона и противоречащее классической физике условие квантования орбит.

Нильс Бор получил Нобелевскую премию в 1922 году «за заслуги в исследовании строения атомов и испускаемого ими излучения».

Волновая природа вещества

Французский ученый Луи де Бройль осознал существующую в природе симметрию и, развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923-1924 годах гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.

Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики — энергия E и импульс p, а с другой стороны, волновые характеристики — частота и длина волны.

К идее де Бройля физики отнеслись скептически. И только через три года, в 1927 году Джордж Томсон и Клинтон Джозеф Дэвиссон случайно открыли дифракцию электронов на тонких металлических пленках и подтвердили гипотезу де Бройля.

В 1929 году Луи де Бройль был удостоен Нобелевской премии по физике «за открытие волновой природы электронов», а в 1937 году Нобелевскую премию получили и Томсон с Дэвиссоном.

Экспериментальное открытие волновой природы электронов подтвердило основные идеи, лежащие в основе квантовой механики. Отметим, что согласно квантовой механике волновая природа присуща не только потоку электронов, но и отдельному электрону. Это удалось экспериментально подтвердить в 1948 году советскому физику В. А. Фабриканту. Он показал, что даже в случае столь слабого электронного пучка, когда каждый электрон проходит через прибор независимо от других, возникающая при длительной экспозиции дифракционная картина не отличается от дифракционных картин, получаемых при короткой экспозиции для потоков электронов в десятки миллионов раз более интенсивных.

Создание квантовой механики

В 1925-1926 годах были заложены основы последовательной квантовой теории в виде квантовой механики, содержащей новые фундаментальные законы кинематики и динамики. Первая формулировка квантовой механики содержится в статье Вернера Гейзенберга, датированной 29 июля 1925 года. Эту дату можно считать днем рождения нерелятивистской квантовой механики.

Согласно фольклору, столь распространенному среди физиков, открытие основного уравнения квантовой механики случилось так: в 1926 году физик-теоретик по имени Эрвин Шрёдингер выступал на научном семинаре в Цюрихском университете. Он рассказывал о странных новых идеях, витающих в воздухе, о том, что объекты микромира часто ведут себя скорее как волны, нежели как частицы. Тут слова попросил пожилой преподаватель и сказал: «Шрёдингер, вы что, не видите, что всё это чушь? Или мы тут все не знаем, что волны — они на то и волны, чтобы описываться волновыми уравнениями?» Шрёдингер воспринял это как личную обиду и задался целью разработать волновое уравнение для описания частиц в рамках квантовой механики — и с блеском справился с этой задачей.

Незадолго до того Вернер Гейзенберг, Макс Борн и Паскуаль Иордан опубликовали другой вариант квантовой теории, получивший название матричной механики, которая описывала квантовые явления с помощью таблиц наблюдаемых величин. Эти таблицы представляют собой определенным образом упорядоченные математические множества, называемые матрицами, над которыми по известным правилам можно производить различные математические операции. Матричная механика также позволяла достичь согласия с наблюдаемыми экспериментальными данными, но в отличие от волновой механики не содержала никаких конкретных ссылок на пространственные координаты или время. Гейзенберг особенно настаивал на отказе от каких-либо простых наглядных представлений или моделей в пользу только таких свойств, которые могли быть определены из эксперимента, так как по его соображениям микромир имеет принципиально иное устройство, чем макромир, в виду особой роли постоянной Планка, несущественной в мире больших величин. «За создание квантовой механики, применение которой привело, помимо прочего, к открытию аллотропических форм водорода» Вернер Гейзенберг получил нобелевскую премию 1932 года.

Шрёдингер показал, что волновая механика и матричная механика математически эквивалентны. Известные ныне под общим названием квантовой механики, эти две теории дали долгожданную общую основу описания квантовых явлений. Многие физики отдавали предпочтение волновой механике, поскольку ее математический аппарат был им более знаком, а ее понятия казались более «физическими»; операции же над матрицами — более громоздкими.

Макс Борн выявил смысл волнового уравнения. Дело в том, что наивное представление о частице как о волне в ограниченном объеме пространства (волновой пакет) неверно, так как волновые пакеты со временем расплываются. Согласно Борну, волновая функция, входящая в уравнение Шрёдингера, не соответствует каким-либо реальным волнам, однако ее квадрат дает вероятность обнаружения частицы в каждой точке. Макс Борн получил Нобелевскую премию в 1954 году в том числе и за статистическую интерпретацию волновой функции.

Уравнение Дирака и спин

Создатели квантовой механики прекрасно понимали, что это нерелятивистская теория. Во-первых, в ней не учитывается конечная скорость передачи взаимодействий. Во-вторых, она не описывает процессы взаимного превращения частиц. Нерелятивисткий характер проявляется и в том, что уравнение Шрёдингера не описывает процессы, в которых присутствует спин частиц или магнитное поле, потому что магнитное поле по сути есть релятивистский эффект.

Попытки написать самое простое уравнение для волновой функции, учитывающее теорию относительности (уравнение Клейна-Гордона-Фока) завершились неудачей, потому что в такой модели нельзя записать выражение для плотности вероятности вроде квадрата модуля волновой функции, которое в каждой точке было бы неотрицательным. Еще одна проблема этого уравнения заключается в том, что наряду с решениями с положительной энергией у него есть и решения с отрицательной энергией.

Поль Адриен Морис Дирак понимал, что такие проблем связаны с присутствием в уравнении Клейна-Гордона-Фока второй производной по времени от волновой функции (уравнение Шрёдингера, свободное от этой трудности, содержит только производную первого порядка по времени). В 1927 году он предложил волновое уравнение, не содержащее производных по времени выше первого порядка, однако это было матричное уравнение для четырехкомпонентной волновой функции.

Как оказалось, проблему неопределенной нормы и отрицательной энергии уравнение Дирака не решило, но в нем уже содержится спин. На тот момент описание электрона на основе уравнение Дирака было наилучшим.

Античастицы

Дирак всё-таки решил проблему отрицательной энергии частиц. С точки зрения процедуры вторичного квантования движение частицы с отрицательной энергией есть движение частицы с положительной энергией «назад во времени», а такое движение эквивалентно движению античастицы с правильной временной зависимостью, но в противоположную сторону. Таким образом Дирак предсказал, что у каждой частицы есть брат-близнец — античастица — частица той же массы, но с противоположными зарядами (в том числе электрическим).

Первая античастица — позитрон — была открыта в 1932 году американским физиком Карлом Давидом Андерсоном при наблюдении космического излучения с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле. Название «позитрон» придумал сам Андерсон. Интересно, что Андерсон также предлагал, правда безуспешно, переименовать электроны в «негатроны». Он сфотографировал следы частиц, которые очень напоминали следы электронов, но имели изгиб под действием магнитного поля, противоположный следам электронов, что свидетельствовало о положительном электрическом заряде обнаруженных частиц.

Вскоре после этого открытия, также с помощью камеры Вильсона, были получены фотографии, проливавшие свет на происхождение позитронов: под действием γ-квантов вторичного космического излучения позитроны рождались в парах с обычными электронами. Такие свойства электрона и позитрона оказались в согласии с релятивистской теорией электрона Дирака.

В 1934 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри во Франции открыли еще один источник позитронов — β⁺-радиоактивность.

Дирак вместе со Шрёдингером получили Нобелевскую премию в 1933 году «за открытие новых продуктивных форм атомной теории», а Андерсон «за открытие позитрона» — в 1936 году.

Стоит отметить, что уравнение Дирака описывает только электрон-позитронное поле, а также электрон-позитронное поле во внешних электромагнитных полях. Взаимодействие электронов и позитронов с фотонами описывает новая наука — квантовая электродинамика.

Открытие нейтрона

Еще в 1920 году Резерфорд предполагал существование нейтральной частицы. В частности, об этом свидетельствовала разница между атомным номером и массой ядра. В 1930 году Виктор Амбарцумян и Дмитрий Дмитриевич Иваненко показали, что ядра не могут состоять из протонов и электронов, как тогда считалось, что требовало введения новой нейтральной частицы для объяснения состава ядер.

В 1931 году Вальтер Боте и Герберт Бекер, работавшие в Германии, обнаружили, что если высокоэнергетичные α-частицы попадают на некоторые легкие элементы, в особенности на бериллий или литий, образуется излучение с необычно большой проникающей способностью. Сначала считалось, что это — γ-излучение, но выяснилось, что оно обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные γ-лучи, и результаты эксперимента не могут быть таким образом интерпретированы.

Важный вклад сделали в 1932 Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или любое другое соединение, богатое водородом, образуются протоны высоких энергий. Само по себе это ничему не противоречило, но численные результаты приводили к нестыковкам в теории.

Позднее в том же 1932 английский физик Джеймс Чедвик провел серию экспериментов, в которых он показал, что γ-лучевая гипотеза несостоятельна. Он предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и произвел серию экспериментов, подтвердивших эту гипотезу. Новая частица была названа нейтроном. За это открытие Чедвик получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году.

Сразу после открытия нейтрона Иваненко и Гейзенберг независимо друг от друга выдвинули гипотезу о протон-нейтронной структуре ядра. Эта гипотеза в дальнейшем получила полное подтверждение.

Открытие нейтрино

Одной из основных проблем в ядерной физике двадцатых-тридцатых годов была проблема бета-распада: спектр электронов, образующихся при бета-распаде, измеренный английским физиком Джеймсом Чедвиком еще в 1914 году, имеет непрерывный характер, то есть из ядра вылетают электроны самых различных энергий.

С другой стороны, развитие квантовой механики привело к пониманию дискретности энергетических уровней в атомном ядре: это предположение было высказано австрийским физиком Лизой Мейтнер в 1922 году. Спектр вылетающих при распаде ядра частиц должен быть дискретным, их энергия должна быть равна разности энергий уровней, между которыми происходит переход при распаде. Таким, например, является спектр α-частиц при альфа-распаде.

Таким образом, непрерывность спектра электронов бета-распада ставила под сомнение закон сохранения энергии. Вопрос стоял настолько остро, что в 1931 году Нильс Бор на Римской конференции выступил с идеей о несохранении энергии. Однако было и другое объяснение — потерянную энергию уносит какая-то неизвестная и незаметная частица.

Гипотезу о существовании чрезвычайно слабо взаимодействующей с веществом частицы выдвинул 4 декабря 1930 года Паули — не в статье, а в неформальном письме участникам физической конференции в Тюбингене.

Впоследствии нейтроном была названа другая частица. А та частица, которую предсказал Паули, была названа итальянцем Энрико Ферми в работах 1933—1934 годов на итальянский манер, нейтрино.

На Сольвеевском Конгрессе 1933 году в Брюсселе Паули выступил с рефератом о механизме бета-распада с участием легкой нейтральной частицы со спином 1/2. Это выступление было фактически первой официальной публикацией, посвященной нейтрино.

Потенциал Юкавы, пионы, мюоны

Чтобы описать силы, связывающие протоны и нейтроны в ядре, японский физик Хидэки Юкава в 1935 году выдвинул гипотезу о существовании нового типа элементарных частиц с массой, промежуточной между массами электрона и протона. В рамках квантовой теории эти частицы должны быть переносчиками сильного взаимодействия, то есть квантами соответствующего поля.

Между тем в 1936 году Андерсоном (тем самым, который открыл позитроны) были обнаружены новые частицы, мюоны, во время исследования космических лучей. При прохождении в магнитном поле они отклонялись в меньшей степени, чем электроны, но более резко, чем протоны. Было сделано предположение, что их электрический заряд был равен заряду электрона, и для объяснения различия в отклонении было необходимо, чтобы эти частицы имели промежуточную массу (лежащую между массой электрона и массой протона). По этой причине Андерсон первоначально назвал новую частицу «мезотрон», используя приставку «мезо-» (от греческого слова «промежуточный»).

Мюон считался кандидатом на роль переносчика сильного взаимодействия в теории Юкавы. Однако было обнаружено, что мюон не вступает в сильные взаимодействия, и некоторое время (до открытия пи-мезона) это поведение мюона оставалось загадкой. В связи с необходимостью разных обозначений для различных типов мезонов, мезотрон был переименован в «мю-мезон» (от греческой буквы μ).

В 1947 году заряженные пионы (или пи-мезоны) были экспериментально обнаружены группой исследователей под руководством Сесила Фрэнка Пауэлла. Поскольку ускорителей с энергией, достаточной для рождения пионов, в то время еще не существовало, опыты проводились с фотопластинкой, поднятой при помощи воздушного шара на большую высоту, где она подверглась воздействию космических лучей (фотопластинки также устанавливались в горах, например, в астрофизической лаборатории на вулкане Чакалтайя в Андах). После спуска воздушного шара на фотоэмульсии обнаружили следы заряженных частиц, среди которых были пи-мезоны.

Обнаружить нейтральный пион гораздо сложнее, так как в силу своей электрической нейтральности он не оставляет следов в фотоэмульсии. Нейтральный пион был идентифицирован по продуктам распада в 1950 году.

Вскоре обнаружилось, что мю-мезон значительно отличается от других мезонов (например, его продукты распада включали нейтрино и антинейтрино, а не только либо одно, либо другое, что наблюдалось для других мезонов). Таким образом, мю-мезоны не были мезонами вообще, и термин «мю-мезон» был заменен современным термином «мюон».

В 1949 году за предсказание существования мезонов и теоретические исследования природы ядерных сил Юкаве была присуждена Нобелевская премия. Также Нобелевской премии удостоился и Пауэлл «за разработку фотографического метода исследования ядерных процессов и открытие мезонов, осуществленное с помощью этого метода».

Квантовая электродинамика

Несмотря на определенный успех уравнения Дирака, оно не описывало процессы с элементарными частицами при больших энергиях. Последовательным обобщением квантовой механики на случай больших скоростей, сравнимых со скоростью света, является квантовая теория поля.

В квантовополевых теориях частицы материи являются «квантами» (возмущениями) соответствующих полей. Число частиц больше не фиксировано. Взаимодействие между частицами переносится специальными полями. Предполагается, что частицы материи в процессе взаимодействия испускают и поглощают другие частицы — кванты поля-переносчика.

В тридцатых годах ученые не сомневались в принципиальной возможности провести какие угодно релятивистские квантовые вычисления. Однако выяснилось, что многие квантовополевые выражения содержат бесконечности. Под сомнением оказалась принципиальная возможность объединения квантовой механики и специальной теорией относительности.

В сороковых годах благодаря усовершенствованным экспериментальным методам были обнаружены противоречия с теорией. Уиллис Лэмб обнаружил тонкое расщепление спектральных линий водорода. Он измерил разность между двумя уровнями, которые в дираковской теории должны совпадать. В 1955 году за этот эксперимент Лэмб получил Нобелевскую премию. Кроме того, был измерен аномальный магнитный момент электрона (превышение над магнитным моментом, следующим из уравнения Дирака).

В 1947 году Ганс Бете выполнил первые нерелятивистские вычисления лэмбовского сдвига. Несмотря на использованные приближения, он получил замечательное совпадение с экспериментом. В основе вычислений была простая идея связать возникающие бесконечности с поправками к массе и заряду электрона, которые на самом деле фиксированы в эксперименте. Тогда бесконечности «поглощаются» этими параметрами и остается конечное выражение, совпадающее с экспериментом. Такая процедура получила название перенормировки. Перенормировка позволяет получить из бесконечных величин конечные части, а их совпадение с экспериментальными данными подтверждает корректность этой процедуры.

Квантовая электродинамика в окончательном ковариантном виде была построена через несколько лет в работах Ричарда Фейнмана, Джулиана Швингера и Синъитиро Томонаги, за что они были удостоены Нобелевской премии в 1965 году. Квантовая электродинамика рассматривает взаимодействие между заряженными частицами (например, электронами и позитронами), возникающее вследствие обмена фотонами — квантами электромагнитного поля.

Вплоть до настоящего времени квантовая электродинамика остается самой точной физической теорией. Теоретические расчеты упомянутого выше аномального магнитного момента электрона в рамках квантовой электродинамики совпадают с результатами экспериментов с точностью до 10⁻¹⁰.

Исследование слабых взаимодействий

Исторически первым примером процессов, обусловленных слабым взаимодействием, был бета-распад. Энрико Ферми предложил модель слабого взаимодействия как контактное взаимодействие между четырьмя фермионами. Однако, в отличие от квантовой электродинамики, эта модель была неперенормируемой. Она позволяла приближенно описывать низкоэнергетические процессы.

Долгое время считалось, что законы природы симметричны относительно зеркального отражения. Это значит, что результат любого эксперимента на какой-то установке должен быть таким же, как и результат эксперимента на зеркально-симметричной установке. Эта симметрия относительно пространственной инверсии связана с законом сохранения четности. Однако в середине 1950-х Чжэньнин Янг и Цзундао Ли предположили, что слабое взаимодействие может не подчиняться этому закону. В 1957 году Цзяньсун Ву и сотрудники подтвердили это предсказание, что принесло Янгу и Ли Нобелевскую премию по физике за 1957 год.

В 1957 году Роберт Маршак и Джордж Сударшан и, несколько позже, Ричард Фейнман и Мюррей Гелл-Манн предложили описание для слабого взаимодействия, нарушающего симметрию зеркального отражения. Фейнман в 1963 году по этому поводу сказал следующее: «Открытие V−A теории осуществили Сударшан и Маршак, а опубликовали ее Фейнман и Гелл-Манн»

Объединение электромагнитных и слабых взаимодействий

Квантовая электродинамика обладает симметрией относительно преобразований, называемых калибровочными. В пятидесятых годах Чжэньнин Янг и Роберт Миллс построили модель, уравнения которой не менялись под действием более сложных локальных калибровочных преобразований. Сначала интерес был чисто математическим. Однако потом на основе теории Янга — Миллса были созданы основные современные модели взаимодействия элементарных частиц — теория электрослабых взаимодействий и квантовая хромодинамика.

В шестидесятых годах удалось объединить электромагнетизм и слабые взаимодействия. Шелдон Глэшоу, Стивен Вайнберг и Абдус Салам построили теорию электрослабых взаимодействий. В 1979 году им была присуждена Нобелевская премия. Новая теория предсказала существование новых частиц, так называемых W- и Z-бозонов. Они отвечают за «перенос» слабого взаимодействия. Эти бозоны были открыты на протонном суперсинхротроне в 1983 году.

Казалось бы, каким образом можно объединить электромагнитные и слабые взаимодействия, если у первых радиус взаимодействия бесконечен (действительно, мы видим свет — электромагнитное излучение — от удаленных галактик и других астрономических объектов), а у вторых он не превышает размеры атомного ядра? Оказывается, такая «несимметричность» связана с тем, что масса фотонов равна нулю, а масса W- и Z-бозонов очень большая, они примерно в 100 раз тяжелее протона.

Нарушение так называемой электрослабой симметрии является важным свойством теории электрослабых взаимодействий (этой симметрией обладают уравнения теории). В результате нарушения W- и Z-бозоны и некоторые другие частицы (например, электроны) приобретают массы.

Для такого нарушения был придуман механизм Хиггса. Одно из следствий этого механизма — существование новой частицы, хиггсовского бозона. Бозон Хиггса — очень тяжелая частица, тяжелее W- и Z-бозонов. Поэтому она пока не открыта экспериментально.

Доказательство перенормируемости такой модели, полученное Мартинусом Вельтманом и Герардом 'т Хоофтом, было отмечено Нобелевской премией по физике за 1999 год.

Адроны, кварки и квантовая хромодинамика

В 1950-е годы было открыто огромное число новых элементарных частиц, большинство из которых обладали очень малым временем жизни. Все эти частицы были сильно взаимодействующими: интенсивности их рассеяния друг на друге были похожими на интенсивности взаимодействия нуклонов и пионов, и заметно превышали интенсивности взаимодействия с электронами.

Среди этих адронов (частиц, участвующих в сильном взаимодействии, в отличие от лептонов, не участвующих в нем) были как мезоны, так и барионы. Они обладали различными спинами и зарядами; в их распределении по массам и в предпочитаемых вариантах распада проглядывалась некоторая регулярность, однако откуда она бралась — не было известно.

По аналогии с пион-нуклонным рассеянием была построена модель сильных взаимодействий этих адронов, в которой каждому типу взаимодействия, каждому типу распада соответствовала некоторая своя константа взаимодействия. Кроме того, некоторые из наблюдаемых зависимостей не удавалось объяснить, и они просто постулировались в виде «правил игры», которым подчиняются адроны. Несмотря на то, что в целом это описание работало, оно, безусловно, было неудовлетворительно с точки зрения теории: слишком многое приходилось постулировать, большое число свободных параметров вводилось совершенно произвольно и безо всякой структуры.

В 1964 году Мюррейем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом была предложена кварковая модель адронов. Они обнаружили некоторую симметрию свойств адронов и поняли, что принципиальных степеней свободы при «конструировании» адронов вовсе не так много. Эти степени свободы получили название кварков. При помощи трех типов (или, как говорят физики, ароматов) кварков — верхнего, нижнего и странного — можно было объяснить все известные тогда адроны. «За открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий» Гелл-Манн получил нобелевскую премию в 1969 году.

В течение года кварковая модель была расширена. Шелдон Глэшоу и Джеймс Бьёркен, пытаясь построить модель слабого взаимодействия кварков, предложили существование нового типа кварков, очарованного.

Поскольку свободных кварков не было обнаружено, считалось, что кварки были просто удобными математическими конструкциями, а не реальными частицами. Эксперименты, проведенные в 1968 году на ускорителе SLAC (Стэндфордский линейный ускорительный центр), продемонстрировали, что кварки — не просто абстрактные степени свободы адрона, а реальные частицы, составляющие адрон и несущие такие характеристики, как импульс, заряд, спин.

Ненаблюдение свободных кварков получило название конфайнмента. Так как сила взаимодействия между кварками, обусловленная обменом глюонами, не уменьшается с расстоянием, предполагается, что кварки и глюоны никогда не могут быть освобождены из адрона.

В 1973 году Тосихидэ Маскава и Макото Кобаяши в совместной работе показали, что при условии существования «третьего поколения» (еще двух) кварков возможно теоретически объяснить нарушение CP-симметрии (одновременное отражение в зеркале и замена частиц на античастицы), открытое в 1964 году Джеймсом Кронином и Вэлом Фитчем и отмеченное Нобелевской премией 1980 года. Все предсказанные кварки были открыты: очарованный в 1974 году, прелестный в 1977 году и истинный в 1995 году. Предсказания Маскавы и Кобаяши относительно CP-нарушения с участием частиц, содержащих прелестный кварк, были проверены в экспериментах с 2002 по 2007 год. В 2008 году эти ученые получили Нобелевскую премию.

Теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика, тоже основана на уравнениях Янга — Миллса. Из-за сложности уравнений квантовой хромодинамики конфайнмент до сих пор не выведен из них напрямую. Кстати, решение уравнений Янга — Миллса и объяснение конфайнмента является одной из семи проблем тысячелетия, за которые институт Клэя назначил приз в миллион долларов.

Несмотря на указанные трудности квантовой хромодинамики, открытие асимптотической свободы Дэвидом Гроссом, Дэвидом Полицером и Франком Вилчеком позволило сделать множество точных предсказаний в высокоэнергетических процессах, подтвердившихся на ускорителях. Эти ученые получили Нобелевскую премию в 2004 году.

Стандартная модель

Стандартная модель фундаментальных взаимодействий включает в себя модель электрослабых взаимодействий и квантовую хромодинамику. Стандартная модель оказалась в состоянии объяснить практически все экспериментальные данные, полученные к настоящему времени в физике элементарных частиц.

Фундаментальными частицами стандартной модели являются кварки и лептоны, объединенные в поколения по два кварка и два лептона. В первом поколении находятся верхний и нижний кварк, а также электрон и электронное нейтрино. Во втором поколении — странный и очарованный кварк и мюон с мюонным нейтрино (выяснилось, что каждому лептону соответствует свое нейтрино). Тау-лептон (от греческой буквы τ) входит в третье поколение. Эта частица была открыта на электрон-позитронном коллайдере SLAC в 1975 году, за что Мартин Перл получил Нобелевскую премию 1995 года. Еще в третьем поколении тау-нейтрино, а также прелестный и истинный кварки.

Кварки и лептоны — частицы материи. Помимо них в стандартной модели есть переносчики взаимодействий: фотон (электромагнитное взаимодействие), W- и Z-бозоны (слабое взаимодействие), восьмерка глюонов (сильные взаимодействия).

Свойства частиц повторяются из поколения в поколение. Единственное исключение — масса: частицы старших поколений тяжелее. Например, мюон в 207 раз тяжелее электрона, а в остальном их свойства совпадают.

Практически всё вещество во Вселенной состоит из частиц первого поколения. Так, протоны и нейтроны состоят из верхних и нижних кварков, в атомы входят электроны.

Без ответов остается много вопросов. Почему частицы группируются в поколения? Зачем природе потребовалось именно три поколения? Или, быть может, существует еще одно поколение очень тяжелых частиц, недоступных (пока?) наблюдениям? Эти вопросы будут предметом дальнейших исследований.

Заключение

Основные тенденции в развитии физики высоких энергий

Одна из самых плодотворных идей в теоретической физике высоких энергий — идея симметрии. Под симметрией физической теории понимается неизменность ее уравнений при выполнении каких-либо преобразований.

В основе специальной теории относительности лежит инвариантность относительно преобразований Лоренца (поворотов и сдвигов в пространстве, а также переходов из одной инерциальной системы отсчета в другую). Лоренц-инвариантность является одним из основных требований к физическим теориям. Нарушения лоренц-инвариантности никогда не наблюдались на опыте.

Другим важным типом симметрий являются внутренние симметрии. На принципе калибровочной инвариантности построены основные теории, входящие в стандартную модель: модель электрслабых взаимодействий и квантовая хромодинамика.

Еще одна идея, занимавшая лучшие умы современности, — объединение разных взаимодействий в одно. Действительно, до сих пор сокращение числа законов, описывающих мир, было одной из основных тенденций при построении научных теорий. При этом главной целью всегда оставалось и остается построение единой теории поля, которая бы объединила все знания человечества о природе, и из которой можно было бы вывести (хотя бы в принципе) все законы как частные случаи такой теории.

Построение единой теории поля пока далеко от завершения. Однако на этом пути были сделаны кое-какие успехи. Так, в стандартной модели уже объединены электромагнитное и слабое взаимодействия.

За пределами стандартной модели

Стандартная модель описывает практически все экспериментальные данные, полученные на ускорителях. Однако последняя частица стандартной модели, бозон Хиггса, еще не найдена. Поиск хиггсовского бозона — одна из главных задач большого адронного коллайдера, который уже работает в ЦЕРНе. Также ожидается, что на нем будут обнаружены отклонения от стандартной модели, потому что несмотря на ее огромные успехи, в ней есть ряд моментов, неудовлетворительных с точки зрения теории и мешающих ей быть окончательной теорией, описывающей наш мир.

Существуют некоторые указания на то, что при огромных энергиях, в миллиард раз превосходящих расчетную энергию большого адронного коллайдера, электрослабое взаимодействие объединяется с сильным («великое объединение»), а если энергию увеличить еще в тысячу раз (планковская энергия), то гравитация, которая в нынешних лабораторных условиях пренебрежимо слаба, сравнивается по интенсивности с другими взаимодействиями.

Квантовая теория поля позволяет рассчитать, как изменяется интенсивность взаимодействий с ростом энергии. Естественно ожидать, что если на какой-то энергии имеет место объединение взаимодействий, то и их интенсивности должны выравниваться при приближении к этой энергии. Оказывается, что на шкале великого объединения в стандартной модели такого выравнивания не происходит.

Кроме того, стандартная модель вообще не включает гравитацию. С одной стороны потому, что в сегодняшних экспериментах ей можно пренебречь, с другой стороны потому, что теория гравитации — общая теория относительности — является классической теорией. Квантовая гравитация до сих пор не построена, так как имеются огромные проблемы в объединении квантовой механики и общей теории относительности. В частности, тривиальная попытка проквантовать гравитацию приводит к неперенормируемой теории.

В силу указанных трудностей физики ищут замену стандартной модели. Одним из путей решения этих трудностей является суперсимметрия. Суперсимметрия — это симметрия между частицами с целым и полуцелым спином. Идея суперсимметрии была предложена в теоретических работах около 40 лет назад в работах Гольфанда и Лихтмана, Волкова и Акулова, а также Весса и Зумино. Вкратце она заключается в построении теорий, уравениня которых не изменялись бы при преобразовании полей с целым спином в поля с полуцелым спином и наоборот. Энергия нарушения суперсимметрии доступна большому адронному коллайдеру, поэтому низкоэнергетическая суперсимметрия будет либо открыта на нем, либо опровергнута.

В суперсимметричном расширении стандартной модели на масштабе великого объединения интенсивности взаимодействий выравниваются. К тому же в рамках суперсимметрии возможно объединение с гравитацией.

Новые данные, полученные в астрофизике и космологии, не могли пройти мимо специалистов по физике элементарных частиц. Во-первых, в последнее время выяснилось, что обычная барионная материя составляет около 4% всей энергии Вселенной. 23% приходится на темную материю (обнаружена по отклонению скоростей звезд в галактиках от предсказаний ньютоновской механики), и 73% на темную энергию (проявляется в ускоренном расширении Вселенной в настоящее время).

В стандартной модели, в отличие от ее суперсимметричного расширения, нет кандидата на роль частицы темной материи. Природа же темной энергии вообще неясна. Больше всего темная энергия «похожа» на собственную энергию вакуума, однако оценки в рамках имеющихся теорий расходятся с экспериментом на многие десятки или даже на сотни порядков. Проблема темной энегрии — настоящий вызов физикам XXI века.

Есть другие модели, претендующие на роль единых теорий. Например, теория суперструн предлагает свой способ построения квантовой гравитации. Однако в настоящее время не существует экспериментов или наблюдений, которые смогли бы доказать или опровергнуть такие модели.

Литература

1. Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц. — М.: Наука, 1988.
2. Окунь Л. Б. Лептоны и кварки. — М.: Наука, 1981.
3. Дирак П. А. М. Пути физики. Под ред. Г. Хора, Дж. Шепанского: Пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 88 с.
4. Белокуров В. В., Ширков Д. В. Теория взаимодействий частиц. — М: Наука, 1986. — 160 с.
5. Фейнман Р., Характер физических законов, М.: Наука, Изд. второе, исправленное, 1987.
6. Гейзенберг В., Шредингер Э., Дирак П. А. М. Современная квантовая механика. Три нобелевских доклада. Л.-М.: Гостехиздат, 1934.
7. Хунд Ф., История квантовой теории. Пер с нем. Киев: Наукова думка, 1980. — 244с.
8. Трефил Дж. Природа науки. 200 законов мироздания.