Физика в новую эру: обзор (2001)

Глава:4. Основные законы и симметрии.

Основные законы и симметрии

Наблюдение за природой, будь то человеческими глазами и ушами или с помощью ускорителей частиц и электронных микроскопов, часто выявляет отличительные закономерности: ураганы повторяются каждую осень, активность солнечных пятен достигает пика каждые 11 лет, соль образует кубический кристалл, химические свойства атомов четко выражены. в периодической таблице. Физика пытается связать эти разные явления вместе, ища общие основные законы. Законы магнетизма, которые объясняют детский стержневой магнит, также применимы к ядерным ядрам атомов. Законы гравитации, которые управляют плавной каплей падающих листьев, также определяют поведение черной дыры в центре нашей галактики.

В начале 20 века исследования в области субатомных атомов выявили простую и экономичную структуру - вся материя состоит из трех элементарных частиц: электрона, протона и нейтрона. В течение второй половины того столетия исследования на еще более коротких расстояниях в ядерной и субядерной сфере привели к нескольким важным изменениям в этой картине. Вначале к списку была добавлена ​​новая частица: нейтрино, наблюдаемое как конечный продукт ядерного распада. Эта почти невесомая частица играет важную роль в ядерном распаде, жизни звезд и даже, возможно, в окончательной судьбе нашей Вселенной. Тем не менее, нейтрино остается загадкой, и продолжающиеся эксперименты в Японии, Северной Америке и Европе только начинают прояснять его природу. В 1960-х годах было обнаружено, что протон и нейтрон имеют субструктуру:Они содержат два вида еще более мелких частиц, называемых кварками. Эти два вида известны как верхний кварк и нижний кварк. Большая часть вещества, с которым мы сталкиваемся, состоит только из этих четырех частиц. Но, как ни странно, природа решила повторить этот список (верхний кварк, нижний кварк, электрон и его нейтрино) еще дважды, причем два дополнительных набора различаются только тем, что они намного тяжелее. Последняя запись в этом каталоге, топ-кварк, вес которого более чем в 30 000 раз превышает вес ап-кварка, был обнаружен только недавно на коллайдере Тэватрон в Фермилабе.и его нейтрино) еще два раза, причем два дополнительных набора отличаются только намного тяжелее. Последняя запись в этом каталоге, топ-кварк, вес которого более чем в 30 000 раз превышает вес ап-кварка, был обнаружен только недавно на коллайдере Тэватрон в Фермилабе.и его нейтрино) еще два раза, причем два дополнительных набора отличаются только намного тяжелее. Последняя запись в этом каталоге, топ-кварк, вес которого более чем в 30 000 раз превышает вес ап-кварка, был обнаружен только недавно на коллайдере Тэватрон в Фермилабе.

По мере того, как исследования касались составных частей материи, они также выявили взаимодействия между ними. Гравитационная сила, описанная Ньютоном

в 17 веке доминирует физика на самых больших расстояниях нашей Вселенной. Электромагнитная сила, триумфально синтезированная в XIX веке в форме уравнений Максвелла, определяет поведение атомов, молекул и материалов. Исследование субатомного мира до сих пор выявило две дополнительные силы, которые действуют только на самых малых расстояниях: сильное взаимодействие, ответственное за структуру ядер, и слабое взаимодействие, впервые обнаруженное при ядерном распаде. Составляющие материи вместе с этими четырьмя силами составляют основную структуру современной физики, так называемую стандартную модель.

СКРЫТЫЕ СИММЕТРИИ И СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ

Одна из глубоких идей, воплощенных в стандартной модели, - это представление о том, что симметрии могут быть скрыты - то, что мы наблюдаем в природе, может не отражать прямо лежащие в основе симметрии законов физики. Сферически-симметричные законы электричества и магнетизма, которые определяют большинство явлений нашего повседневного опыта, в равной степени ответственны за очень неправильную снежинку и круглую каплю дождя. В первом случае сферическая симметрия электричества и магнетизма скрыта, а во втором - проявляется. Материалы, которые не демонстрируют симметрии, такие как лед в снежинке, находятся в другой «фазе», чем такие материалы, как жидкая вода, в которых симметрия очевидна. Часто изменения в окружающей среде, с которой взаимодействует материал - температура воздуха, давление,или другие факторы - определяют, является ли симметрия скрытой или явной. Таким образом, нагревая снежинку (скрытая симметрия), мы получаем каплю дождя (явная симметрия). Этот переход вещества из фазы скрытой симметрии в другую, где он проявляется, фазовый переход, играет роль почти во всех разделах физики.

Идея скрытой симметрии является центральной для понимания структуры элементарных частиц и их взаимодействий. Один знаменитый пример, взаимосвязь между радиоактивными распадами и электромагнитными явлениями, первоначально был введен как аналогия: Энрико Ферми предположил, что сила, ответственная за определенные радиоактивные распады, теперь известная как слабое взаимодействие, может быть описана в терминах слабых зарядов и слабых токов. , так же как электромагнетизм включает в себя обычные заряды и токи. Аналогия не была точной - аналог электромагнитного излучения отсутствовал в теории Ферми. Хотя идея Ферми частично объясняла слабое взаимодействие, она не могла охватить все явления, наблюдаемые при радиоактивном распаде, или явления, наблюдаемые в свойствах «адронов», связанных состояний кварков.

Электрослабая сила

В 1962 году Шелдон Глэшоу предложил более глубокую связь между слабым и электромагнитным взаимодействиями, чем связь Ферми. По сути, он объединил электромагнетизм и слабые процессы в одно электрослабое взаимодействие, используя расширенную версию калибровочной инвариантности электромагнетизма. Эта симметрия имела непосредственное следствие, что должен был существовать «слабый» аналог электромагнитного поля со слабой силой, передаваемой новыми частицами, аналогичной фотону электромагнетизма. Эти частицы, получившие название W и Z, были впервые обнаружены в ЦЕРНе в Женеве, Швейцария, через 20 лет после того, как Глэшоу впервые высказал свое предположение.

Хотя калибровочная инвариантность электрослабого взаимодействия имела привлекательные черты, ее не сразу приняли, когда она впервые была предложена. Причина заключалась в том, что природа не обладала этой симметрией. Например, симметрия требует, чтобы электрослабое взаимодействие распространялось на большие расстояния, так называемая дальнодействующая сила. В то время как электромагнитное взаимодействие действительно является дальнодействующим, слабые силы чрезвычайно малодействующими, действуя на расстояниях намного меньших, чем атомное ядро.

Решение этой загадки стало результатом усилий в 1960-х годах физиков, занимающихся как элементарными частицами, так и физиками конденсированного состояния, исследовать последствия сокрытия симметрии. Вскоре стало понятно, что неожиданные явления могут возникать из-за скрытой симметрии. Например, при очень низких температурах, где симметрии электромагнетизма становятся скрытыми, материалы часто демонстрируют сверхпроводимость: отсутствие сопротивления току, выброс магнитных полей и только короткодействующие электромагнитные взаимодействия. Изучение этих явлений привело Стивена Вайнберга к предположению, что симметрия электрослабого взаимодействия может быть аналогичным образом скрыта с аналогичными последствиями. В частности, эта скрытая симметрия превратила дальнодействующее взаимодействие в короткодействующее.В этой форме слабые взаимодействия находятся в сверхпроводящей фазе, в которой скрыта симметрия. Эта окончательная форма электрослабой теории была прекрасно подтверждена 30-летними точными экспериментальными испытаниями.

Подробности того, как скрывается электрослабая симметрия, загадочны. Раскрытие этой физики остается одним из важнейших вопросов физики элементарных частиц. Первоначальное предположение Вайнберга о физике, ответственной за сокрытие электрослабой симметрии, требует нового объекта - бозона Хиггса. Как пропавший игрок в стандартной модели, Хиггс был предметом интенсивных поисков на электрон-позитронном коллайдере ЦЕРН (LEP) и на коллайдере Тэватрон в Фермилаб за пределами Чикаго (см. Врезки «Инструменты

Торговля »и« Социальные выгоды от науки-ускорителя »). Если бозон Хиггса существует, то тот факт, что он не наблюдался, означает, что он весит в 110 раз больше, чем протон! В начале 2001 года эксперименты на недавно модернизированном Тэватроне позволят расширить поиск Хиггса до еще более высоких масс. ЦЕРН Большой

ИНСТРУМЕНТЫ ТОРГОВЛИ

Работа на переднем крае экспериментальной физики требует оборудования, которое расширяет границы технологий. Подобно тому, как астрономия стала свидетелем удивительных достижений, достигнутых последним поколением крупномасштабных современных инструментов, так и малые расстояния в физике были расширены с помощью сложных крупномасштабных установок. В физике элементарных частиц и ядерной физике, где исследуются мельчайшие структуры в природе, увеличивающиеся возможности ускорителей элементарных частиц, современные «микроскопы», разработанные для этой цели, вместе с их приборами, продвинули экспериментальный рубеж. Из оригинальной 4-дюймовой модели Эрнеста Лоуренса. циклотрон к сегодняшним гигантским коллайдерам - один из них, детектор коллайдера в Фермилаборатории (CDF), показан ниже слева;внизу справа - иллюстрация распада топ-кварка в CDF - энергия пучков частиц увеличилась более чем в миллион раз. В то же время ряд прорывов позволил снизить стоимость единицы энергии, сохранив границу высоких энергий в пределах экономической целесообразности.

В новом столетии набор ускорителей и детекторов, доступных специалистам в области ядерной физики и физики высоких энергий, даст ответы на самые важные вопросы в этих областях. Рост количества детекторов на основе ускорителей от скромного набора счетчиков Гейгера и сцинтилляторов в 1940-х и 1950-х годах до сегодняшних тысяч тонн, размером с дом, был замечательным. В огромных детекторах есть мощные магниты, охватывающие массивы из сотен тысяч сенсорных элементов, каждый из которых с высокой скоростью передает данные в сложные компьютеры для сбора и обработки данных. Новые технологии, адаптированные или разработанные для этих детекторов, способствуют обмену между научным сообществом и сегментами производственной, электронной и компьютерной отраслей.

СОЦИАЛЬНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА НАУКИ АКСЕЛЕРАТОРОВ

Расцвет науки и технологий в области ускорителей в ответ на потребности ядерной физики и физики высоких энергий породил множество технологий, приносящих пользу здравоохранению, промышленности и фундаментальным исследованиям во многих областях науки. Значительная часть радиоизотопов, используемых в лечении, диагностике и исследованиях, производится на ускорителях. Лучи от ускорителей успешно используются при лечении рака и других заболеваний. Современные методы медицинской визуализации, такие как компьютерная томография, ПЭТ-сканирование и МРТ, уходят корнями непосредственно в технологии, разработанные для детекторов частиц. Развитие считывающей электроники и технологий сбора данных для этих детекторов привело к появлению новых промышленных процессов и продуктов.

В промышленности исследования и разработки с использованием ускорителей часто проводятся для разработки новых продуктов, например, магнитных носителей высокой плотности. Лучи используются для изменения состава материалов с помощью таких методов, как ионная имплантация; для улучшения характеристик материалов (например, упрочнения поверхностей для повышения износостойкости); для прямого улучшения процесса (например, отверждение эпоксидных смол и пластмасс); и непосредственно в таких производственных процессах, как рентгеновская микрообработка.

Ускорители используются для получения интенсивных ярких пучков рентгеновских лучей и нейтронов для передовых фундаментальных и прикладных исследований в области наук о жизни, химии, материаловедения, геологии и наук об окружающей среде. Крупномасштабные установки на базе ускорителей используются тысячами пользователей из университетов, промышленности и национальных лабораторий. Программы в таких областях, как определение характеристик материалов, кристаллография белков, характеристика поверхности и химическая динамика, продвигают вперед наши знания.

Адронный коллайдер (LHC), который сейчас строится и который, как ожидается, будет завершен в 2005 году, будет производить столкновения с энергией, намного большей, чем та, которая доступна сегодня, что значительно расширит энергетический рубеж. Существуют веские аргументы в пользу того, что Хиггс должен находиться в диапазоне чувствительности LHC. Свойства бозона Хиггса будут необычными и непохожими на свойства любой известной частицы. По этой причине были сделаны другие предположения о происхождении нарушения электрослабой симметрии, все из которых приводят к предсказаниям явлений, сигналы которых будут наблюдаться на Тэватроне или LHC.

Многие другие аспекты этой стандартной модели электрослабых сил, такие как сила взаимодействия различных частиц, были подвергнуты детальным испытаниям на таких объектах, как LEP и электрон-позитронный коллайдер SLAC, известный как SLC. Эти эксперименты - чудеса науки, в которых участвуют массивные детекторы и огромное международное научное сотрудничество. Результаты впечатляюще согласуются с предсказаниями теории. Важные испытания стандартной модели также были выполнены при низких энергиях. Ярким примером является вклад слабого взаимодействия в атомную структуру. Поскольку электромагнитное взаимодействие намного сильнее, слабые эффекты очень малы, примерно 1 часть из 100 миллиардов. Однако слабое взаимодействие несимметрично относительно зеркального отражения; то есть не отображает четность.Экспериментаторы недавно использовали это нарушение четности для измерения слабых эффектов с точностью лучше 1%, что стало выдающимся достижением, которое стало возможным благодаря достижениям в лазерной технологии. Результаты снова подтверждают стандартную модель.

В сверхпроводящих материалах сверхпроводимость исчезает при повышении температуры материала, обнаруживая электромагнитную симметрию. Так и электрослабая симметрия должна проявляться при достаточно высоких температурах. Хотя такие температуры не были достигнуты в лаборатории, они, вероятно, были достигнуты в ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва. Понимание того, как скрывается электрослабая симметрия, раскроет детали космологии нашей Вселенной более 13 миллиардов лет назад.

Сильная сила

Скрытая симметрия также играет решающую роль в теории сильного взаимодействия. Основные составляющие сильно взаимодействующей материи, кварки, не появляются индивидуально при нормальных условиях, а только как составные связанные состояния, называемые адронами. Протоны и нейтроны, описанные ранее как связанные состояния трех кварков, являются примерами адронов. Кварки в про-

тонны и нейтроны - чрезвычайно легкие объекты, а протоны и нейтроны в сотни раз тяжелее. Это связывание сильной силой, квантовой хромодинамикой (КХД), скрывает симметрию, связанную с почти невесомыми кварками, что позволяет протону и нейтрону быть тяжелыми. Одним из удивительных следствий этой картины является существование кварка и связанного состояния антикварка, намного более легкого, чем протон или нейтрон. Эта частица, названная пионом, была впервые обнаружена при взаимодействии космических лучей. Обмен пионами между нуклонами - важная часть механизма, с помощью которого сильное взаимодействие связывает нуклоны в ядра. Малая масса пиона была загадкой, которую разрешило открытие скрытой симметрии сильного взаимодействия.

Как и в электрослабых взаимодействиях, скрытая кварковая симметрия может быть восстановлена ​​при очень высоких температурах или очень высоких плотностях энергии. Недавно введенный в эксплуатацию коллайдер релятивистских тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде предназначен для достижения таких экстремальных температур и плотностей, что приводит к созданию нового состояния кварковой материи (см. Врезку «Воссоздание ранней Вселенной в лаборатории» ). Аналогичный эксперимент с тяжелыми ионами, ALICE, будет проведен на LHC ЦЕРНа.

Получение предсказаний из теории сильных взаимодействий часто затруднено из-за технических сложностей КХД, трудностей, которые не возникают при более слабых взаимодействиях, таких как электромагнитная сила, связывающая электроны с ядром. В последние годы с появлением мощных суперкомпьютеров ситуация начинает меняться. Методика, известная как калибровочная теория решетки, может быть использована для расчета многих свойств адронов и может когда-нибудь позволить нам рассчитывать непосредственно из КХД структуру ядра. Это также может пролить свет на другие аспекты «адронной» физики, такие как адроны без кварков (называемые глюболами) и странная материя. Эти идеи проходят экспериментальную проверку в лаборатории Джефферсона в Ньюпорт-Ньюсе, штат Вирджиния.

CP-симметрия

Возможно, самым загадочным аспектом стандартной модели является нарушение симметрии, называемой CP. Эта симметрия включает в себя изменение знака всех зарядов частицы и одновременное зеркальное отражение пространства. До 1960-х годов считалось, что CP представляет собой точную симметрию природы. Но это представление было разрушено с открытием, что распад адрона, названного K-мезоном, несколько отличался от распада его античастицы. Поскольку разница очень мала, CP представляет собой почти идеальную симметрию.

Хотя CP-нарушение, наблюдаемое в K-распадах, может быть учтено стандартной моделью, эта модель не дает представления о происхождении CP.

ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАННЕЙ ВСЕЛЕННОЙ В ЛАБОРАТОРИИ

На одну миллионную долю секунды после Большого взрыва наша Вселенная была заполнена супом из кварков и глюонов, частиц, которые, как мы считаем, являются фундаментальными строительными блоками ядерной материи нашего повседневного мира. Позже, когда Вселенная расширилась и остыла, кварки и глюоны «заморозились» вместе, образуя знакомые протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра.

Теоретики утверждали, что должно быть возможно воссоздать условия Большого взрыва и, следовательно, первичный кварк-глюонный суп, если будут достигнуты достаточно экстремальные условия температуры и давления. Экспериментаторы теперь могут построить мощные ускорители частиц и коллайдеры для создания этих условий, но только в объеме, равном размеру большого атомного ядра. Кварк-глюонный суп (или «плазма») генерируется за счет использования энергии движения сталкивающихся ядер для нагрева их до температуры, при которой отдельные нейтроны и протоны «плавятся», позволяя составляющим их кваркам и глюонам свободно перемещаться по ядерному пространству. объем.

Для достижения этой цели в Брукхейвенской национальной лаборатории недалеко от Нью-Йорка был построен большой ускоритель под названием Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC). RHIC позволяет физикам напрямую сталкиваться с ядрами золота с энергией 20 триллионов эВ на ядро. (См. Ниже изображение этого столкновения, полученное звездным детектором на RHIC.) На момент написания этого отчета были получены первые данные, которые изучались на предмет наличия кварк-глюонной плазмы.

нарушение. Новое поколение ускорителей частиц может изменить эту ситуацию. Так называемые B-фабрики в SLAC, Корнельском университете и лаборатории KEK в Японии будут производить большое количество B-мезонов. Они похожи на K-мезоны, за исключением того, что s-кварк, принадлежащий ко второму семейству, заменяется b-кварком третьего семейства. Изучая некоторые редкие

распады B-мезона, CP-нарушающие величины могут быть изолированы. Важный вопрос заключается в том, можно ли объяснить распады B-мезона с помощью того же параметра, который был введен для объяснения K-распадов. Отрицательный результат заставит нас расширить стандартную модель для учета нарушения CP.

Стандартная модель содержит второй источник CP-нарушения, известный как сильное CP-нарушение, которое не исследуется в K- или B-распадах, но может быть изучено в низкоэнергетических атомных и ядерных экспериментах. Этот источник CP-нарушения генерирует электрический дипольный момент (EDM), разделение заряда вдоль оси вращения частицы. Если частицу с отличным от нуля EDM поместить в электрическое поле, ее спин будет прецессировать вокруг направления поля, так же как волчок ребенка прецессирует вокруг вертикали. Были разработаны удивительно точные методы измерения ЭДМ нейтронов и атомов. Первые связаны с ультрахолодными нейтронами, заключенными в «бутылки». В последних используются атомные пучки, паровые ячейки или ловушки для атомов. Хотя EDM еще не обнаружен, точность этих экспериментов невероятна:Искажения заряда в 1 часть из 10 триллионов триллионов исключены! И планируются эксперименты, в сотни раз более чувствительные. Очень трудно понять, почему стандартная модель, допускающая ненулевое EDM, не генерирует его. Одно привлекательное решение этой сильной головоломки CP включает модификацию структуры Хиггса стандартной модели. У этого изменения есть замечательные последствия - новая и очень легкая частица, называемая аксионом, которая является ведущим кандидатом на образование темной материи. В настоящее время проводится несколько экспериментов, чтобы определить, заполнена ли Вселенная морем аксионов.Одно привлекательное решение этой сильной головоломки CP включает модификацию структуры Хиггса стандартной модели. У этого изменения есть замечательные последствия - новая и очень легкая частица, называемая аксионом, которая является ведущим кандидатом на образование темной материи. В настоящее время проводится несколько экспериментов, чтобы определить, заполнена ли Вселенная морем аксионов.Одно привлекательное решение этой сильной головоломки CP включает модификацию структуры Хиггса стандартной модели. У этого изменения есть замечательные последствия - новая и очень легкая частица, называемая аксионом, которая является ведущим кандидатом на образование темной материи. В настоящее время проводится несколько экспериментов, чтобы определить, заполнена ли Вселенная морем аксионов.

Материя и антивещество

Интерес к CP-нарушению связан с загадочным аспектом нашей Вселенной, а именно с тем, что она содержит гораздо больше материи, чем антивещества. Если физика явно CP-симметрична при высоких температурах, можно было бы ожидать, что очень ранняя Вселенная будет содержать равное количество частиц и античастиц. Если бы эта симметрия сохранялась во время последующего расширения и охлаждения, материя и антивещество почти полностью аннигилировали друг друга, оставив огромную пустоту, содержащую лишь слабое свечение излучения первобытного огненного шара. Вместо этого мы оказываемся в окружении планет, звезд и другой материи. Известно, что одним из требований для создания наблюдаемой асимметрии материя-антивещество во время расширения является CP-нарушение, и считается, что CP-нарушение, наблюдаемое в распадах K-мезонов, может быть недостаточным.Таким образом, CP-нарушение стандартной модели может быть только первым признаком новой физики, которая скрывается за пределами этой модели.

НОВАЯ ФИЗИКА ДЛЯ НОВОЙ ЭПОХИ

Стандартная модель - это триумфальный успех. Однако на каждый вопрос, на который он отвечает, возникают новые и более глубокие. Почему существует три семейства кварков и лептонов? Что объясняет структуру масс в семьях? Почему, например, электронное нейтрино по крайней мере в 100 000 раз легче, чем его заряженный партнер, электрон? Почему в стандартной модели отсутствуют определенные взаимодействия, смешивающие семейства? Почему частицы W и Z такие тяжелые? Почему одни симметрии точны по своей природе, а другие нарушены или скрыты? Почему симметрия так важна для природы?

В последние несколько лет появились идеи, которые обещают ответить на эти вопросы. Многие из них связаны с поведением материи на все более мелких масштабах расстояний, требующих все более энергичных зондов. Более мощные ускорители, включенные в начале этого века, будут продолжать раздвигать этот энергетический рубеж. Некоторые вопросы связаны с настолько малыми масштабами расстояний, что они, вероятно, никогда не будут исследованы непосредственно в экспериментах на ускорителях. Но тонкие намеки на эту новую физику могут быть закодированы в таких явлениях, как массы нейтрино, распад свободного протона и смешение семейств.

Новые симметрии

Должны быть новые силы, ответственные за скрытые симметрии стандартной модели, силы такого короткого действия, что они до сих пор ускользали от обнаружения. Но есть веские аргументы в пользу того, что следующее поколение ускорителей будет достаточно энергичным, чтобы производить массивные частицы, несущие эти силы. Хотя есть несколько привлекательных идей о природе физики, которые будут открыты, особенно интригующим является совершенно новый тип симметрии, известный как суперсимметрия.

Суперсимметрия предсказывает нового партнера для каждой из известных частиц. Например, партнеры кварка и фотона известны как «скварк» и «фотино» соответственно. Ни одна из этих частиц еще не была замечена, что указывает на то, что суперсимметрия скрыта таким образом, что эти партнеры настолько массивны, что не могут быть обнаружены. Но если суперсимметрия связана со скрытой симметрией стандартной модели, то эти массы не могут быть слишком большими, и они могут быть получены в экспериментах на коллайдерах. В частности, поиск суперсимметрии будет центральным в программе LHC, которая стартует в 2005 году. Наблюдение за такими суперпартнерами и связанной с ними суперсимметрией было бы ошеломляющим экспериментальным открытием.

Великое Объединение

Загадочная особенность стандартной модели - большая разница в силе между электрослабым взаимодействием и сильным взаимодействием КХД. Тем не менее, эти взаимодействия имеют очень похожие структуры, оба моделируются на калибровочной инвариантности электромагнетизма. Вскоре после появления стандартной модели было осознано и экспериментально подтверждено, что силы этих взаимодействий меняются с расстоянием: с уменьшением расстояния сильное взаимодействие ослабевает, а слабое - усиливается. В конечном итоге они собираются вместе на расстояниях примерно в миллион миллиардов раз меньших, чем те, которые сейчас исследуются. На этом крошечном расстоянии сильная и электрослабая теории могут объединиться в единую великую объединенную теорию, включающую симметрии, превышающие симметрии сильной и электрослабой теорий.

Особенно драматическое предсказание теорий великого объединения состоит в том, что протон, основной строительный блок материи, с очень малой вероятностью распадается на более легкие частицы. Фактически, большой класс теорий великого объединения предсказывает, что средняя продолжительность жизни протонов в триллион триллионов раз превышает возраст нашей Вселенной. Это объясняет, почему у нас все еще много протонов. Несмотря на 20 лет тщательных поисков с использованием массивных детекторов, расположенных далеко под землей, чтобы избежать ложных сигналов, распада протона не наблюдалось, что исключает простейшие теории великого объединения. Однако некоторые из наиболее привлекательных версий этих теорий, включающих суперсимметрию, предсказывают, что детекторы тока очень близки к требуемой чувствительности.

Нейтрино

Совершенное недавно поразительное открытие может быть другим признаком великого объединения. Экспериментаторы в области ядерной энергии и элементарных частиц, использующие подземные детекторы, подобные тем, которые участвуют в поисках распада протона, обнаруживают нейтрино, производимые Солнцем и взаимодействиями космических лучей в атмосфере Земли (см. Врезку «Массивные нейтрино и нейтринная астрофизика»). Результаты показывают, что нейтрино, принадлежащее к одному семейству, может спонтанно превращаться в нейтрино из другого, процесс, известный как осцилляция нейтрино. Это может произойти только в том случае, если нейтрино имеют ненулевую массу, что выходит за рамки стандартной модели, но легко вписывается в теории великого объединения. Фактически, масса, определенная в эксперименте с атмосферными нейтрино Супер-Камиоканде в Японии, может быть признаком новых взаимодействий в масштабах великого объединения.Расположенный глубоко в шахте в японских Альпах, Super-Kamiokande содержит 50 000 тонн сверхчистой воды, внутренняя часть которой просматривается через ряд из 13 000 фотоумножителей.

МАССИВНЫЕ НЕЙТРИНО И НЕЙТРИНОСТРОФИЗИКА

Земля купается в огромном потоке нейтрино, порождаемых термоядерными реакциями, происходящими глубоко в ядре нашего Солнца. Перспектива использования нейтрино в качестве солнечного зонда побудила экспериментаторов построить серию детекторов нейтрино, каждый из которых регистрировал меньше нейтринных событий, чем ожидалось. Попытки объяснить результаты путем модификации стандартной солнечной модели оказались безуспешными. Постепенно физики начали подозревать, что это объяснение связано с неожиданными свойствами нейтрино. Если нейтрино имеют массу, то электронные нейтрино, образовавшиеся в ядре Солнца, могут «осциллировать» в мюонные или тау-нейтрино, прежде чем достичь Земли, тем самым избегая обнаружения.

В эксперименте Супер-Камиоканде, огромном водном черенковском детекторе весом 50 000 тонн, расположенном в шахте глубоко в Японских Альпах, недавно были измерены как солнечные нейтрино, так и нейтрино, образующиеся в нашей атмосфере в результате взаимодействия космических лучей. Когда детектор, показанный слева, заполняется водой, эти 13000 фотоумножителей обнаруживают слабые вспышки света, вызванные проходящими нейтрино. Результаты исследования атмосферных нейтрино уже предоставили убедительные доказательства осцилляций, очевидной трансмутации мюонных нейтрино в тау-нейтрино.

Нейтринная обсерватория Садбери (SNO), расположенная почти в 2 км под землей в канадском никелевом руднике, содержит 1000 тонн тяжелой воды. Дейтерий в тяжелой воде позволяет экспериментаторам измерять как солнечные электронные нейтрино, так и продукты их колебаний, мюонные и тау-нейтрино. Сейчас идет эксперимент SNO. Возможное объяснение результатов Супер-Камиоканде приписывает необходимые массы нейтрино физике, глубоко скрытой на уровне 10 15 ГэВ, энергии примерно в тысячу миллиардов раз больше, чем достигается с помощью крупнейших ускорителей.

Осцилляции нейтрино, при которых электронные нейтрино, рожденные на Солнце, превращаются в нейтрино мюонного или тау-типа, которые не могут быть обнаружены в детекторах на Земле, также могут объяснять своеобразное поведение нейтрино, исходящих от Солнца. Пять подземных экспериментов обнаружили электронные нейтрино, но скорость, с которой они прибывают на Землю, почти в три раза меньше, чем предсказывается моделями образования солнечных нейтрино. Хотя доказательства являются косвенными (ни мюон, ни тау-нейтрино, образующиеся в осцилляции, не наблюдались напрямую), результаты полностью согласуются с гипотезой осцилляции.

Любимая теоретическая интерпретация состоит в том, что электронное нейтрино, произведенное на Солнце, осциллирует в мюонное нейтрино с массой около 0,003 эВ. Такие колебания будут происходить преимущественно внутри Солнца, когда нейтрино переходят от солнечного ядра с высокой плотностью к поверхности. В этом плотном интерьере колебания могут быть увеличены в тысячу раз. Этот эффект, предсказанный 15 лет назад Михеевым, Смирновым и Вольфенштейном и известный как эффект МСВ, аналогичен явлениям, исследованным в атомной физике 50 лет назад. Новый детектор солнечных нейтрино, использующий тяжелую воду, Нейтринная обсерватория Садбери в Канаде, скоро предоставит новую информацию, определяющую, содержит ли солнечный поток мюонные или тау-нейтрино.

Сверхновая, впечатляющий коллапс массивной звезды, при котором происходит выброс внешней мантии звезды, производит огромное количество нейтрино всех трех типов, которые затем должны распространяться через материю, в миллиарды раз более плотную, чем ядро ​​нашего Солнца. Сопутствующее усиление нейтринных осцилляций в этой среде дает еще одно исследование эффекта МСВ. Экспериментальная задача состоит в том, чтобы создать детекторы нейтрино, чувствительные ко всем трем ароматам нейтрино и достаточно надежные, чтобы увидеть сверхновые, которые в нашей галактике случаются лишь примерно раз в 30 лет.

Механизм сверхновых, образование тяжелых элементов и природа ядерной материи при экстремальных плотностях - все зависит от свойств нейтрино. Сверхновые - это главные двигатели химической эволюции нашей галактики, синтезирующие новые элементы и выбрасывающие их в межзвездную среду. Суперкомпьютерное моделирование звезд до сих пор не позволяло точно предсказать синтез тяжелых ядер при взрывах сверхновых. Поскольку нейтрино играют решающую роль в этом процессе, возможно, новая физика нейтрино является недостающим компонентом в этих моделированиях.

Эксперименты по поиску осцилляций нейтрино проводятся путем создания нейтрино одного типа в одном месте и затем обнаружения этих нейтрино в другом, удаленном. Если тип нейтрино при обнаружении отличается

от первоначально созданного типа произошла осцилляция нейтрино. Чем меньше масса нейтрино, тем больше должно быть это расстояние, чтобы увидеть эффект; Вот почему во многих экспериментах используются внеземные источники, такие как Солнце. Но эксперименты, в которых производство нейтрино происходит в лаборатории под экспериментальным контролем, предоставляют гибкую альтернативу поиску осцилляций нейтрино. Например, массы тау-нейтрино размера, указанного Супер-Камиоканде, могут быть обнаружены в экспериментах по осцилляции ускорителей с длинной базой, где нейтрино создаются в ускорителях и обнаруживаются в лабораториях за сотни миль от них. И Fermilab, и KEK проводят эти важные эксперименты.

Гравитация, масштаб Планка и теория струн

Очень короткая шкала длины великого объединения интригующе близка к другой важной шкале длины, включающей гравитацию: планковской длине (см. Врезку «Гравитация»). Лабораторные эксперименты исследуют короткие расстояния, ускоряя частицы до высоких энергий. При энергиях, доступных в сегодняшних экспериментах, гравитация невероятно мала. Он совершенно незначителен в структуре атомов и ядер и важен для движения планет и звезд только потому, что гравитирующие массы очень велики. Но сила тяжести зависит от массы объекта только тогда, когда он находится в состоянии покоя. Как правило, сила гравитации будет зависеть от полной энергии частицы, которая становится сильнее с увеличением энергии. Когда энергия частицы достигает планковской энергии, энергия, необходимая для исследования физических явлений на планковском масштабе длины,гравитация становится такой же сильной, как и другие силы природы.

Учитывая все взаимодействия - электрослабое, сильное и гравитационное - сопоставимой силы при энергии Планка, естественно сделать вывод, что эта энергия является фундаментальным масштабом физического мира, где все силы природы могут быть объединены в единую теорию. . Теорию Эйнштейна, столь успешную при низких энергиях, как известно, трудно интерпретировать, когда гравитация становится сильной, и в этот момент ожидается, что квантово-механические эффекты станут важными. Одним из захватывающих событий за последние 20 лет стало появление основы - теории струн - которая может привести к единой теории гравитации с другими фундаментальными силами таким образом, чтобы преодолеть эти препятствия.

Теория струн предполагает, что в масштабе Планка происходит нечто принципиально новое. Мощный микроскоп, способный определять расстояния порядка 10 -33 см, показал бы, что кварк или электрон имеют физический размер. Но вместо структуры, основанной на еще более мелких частицах, эти частицы выглядели бы как крошечные петли или струны. Теория струн - прекрасная теоретическая основа.

СИЛА ТЯЖЕСТИ

Гравитация - самая слабая из фундаментальных сил природы и не важна для физики атомов, твердых тел, ядер и элементарных частиц в доступных масштабах энергии. Классическая теория гравитации - общая теория относительности - была сформулирована Альбертом Эйнштейном в 1915 году. В общей теории относительности гравитация - это геометрия: масса искривляет четырехмерное пространство-время и, в свою очередь, движется в ответ на его кривизну. На протяжении большей части 20-го века прогресс экспериментальной гравитационной физики был связан с развитием этого классического видения, чтобы понять такие крупномасштабные явления, как черные дыры, гравитационные волны и конечная судьба звезд, пульсаров, квазаров, рентгеновских лучей. источников и самой Вселенной. Некоторые из этих достижений описаны в главе 3 «Структура и эволюция Вселенной», которая посвящена этим масштабам больших расстояний.

Тем не менее, многие ученые считали, что два великих развития физики 20-го века - квантовая теория и общая теория относительности Эйнштейна - в конечном итоге будут объединены и что полученная в результате квантовая теория гравитации станет частью единой теории всего. фундаментальные взаимодействия. Однако характерный масштаб длины, на котором важна квантовая гравитация, - это планковская длина 10 -33 см или соответствующий планковский масштаб энергии 10 19 миллиардов эВ. Это масштаб в сто миллиардов миллиардов раз меньше, чем размер атомного ядра, и масштаб энергии в 10 миллионов миллиардов раз больше, чем у самого большого ускорителя на Земле. Только при взрывном испарении черных дыр или при Большом взрыве, где большие и малые - одно, такие энергии реализуются в этой Вселенной.(На верхнем изображении справа показан численный расчет горизонтов двух сталкивающихся черных дыр.) Но этот крайний планковский масштаб важен для сегодняшней физики элементарных частиц, потому что он характеризует долгожданную единую теорию всех фундаментальных взаимодействия, описанные в этой главе.

Примечательно, что, как описано в этой главе, многие идеи, лежащие в основе теории струн - лучшая на сегодняшний день попытка единой теории всех взаимодействий - берут свое начало в теории относительности Эйнштейна 1915 года. Искривленное пространство-время, измерения за пределами четырех пространств и времени и черные дыры - все это занимает свое место в теории струн. (Нижнее изображение справа представляет собой диаграмму, описывающую столкновение двух микроскопических струн.) Не менее примечательно, что