В результате этих новых исследований был сделан обескураживающий вывод: никакой связи между top-кварком и слабым взаимодействием быть не может, и приходится распроститься с очень притягательной идеей, согласно которой близость по величине энергий top-кварка и переносчиков слабых взаимодействий - пары W-бозонов - отнюдь не случайна и top-кварк в этом смысле вовсе не может быть резко выделен среди всех остальных известных частиц. Топ-кварк (иначе говоря, t-кварк, truth, "истинный" кварк) был открыт в 1997 г. Связь между этим кварком и так называемым промежуточным векторным бозоном калибровочного поля означала бы, что top-кварк занимает совершенно особое место в иерархии квантового мира, возможно, как своего рода "прародитель" слабой силы, которая ответственна за основные характеристики всего известного нам вещества.
"Никто еще не проделывал столь точных измерений такого рода. Полученные данные открывают новую страницу в нашем знании устройства Вселенной, - заявил Макфарланд. - Люди отчаянно пытаются понять, почему слабая сила слаба. Ведь в начале существования нашей Вселенной это сила, объединенная с другими взаимодействиями, была ответственна за распространение света; однако теперь световые лучи могут пронзать весь космос, а действие слабых сил ограничивается размерами атома. Мы придумали много теорий, объясняющих этот факт, однако наши результаты дают знать, что многие из этих теорий должны быть попросту забыты".
Согласно стандартной теории электрослабого взаимодействия, созданной в 1960-х гг. Глэшоу, Вайнбергом и Саламом и объединившей слабое и электромагнитное взаимодействия, слабые взаимодействия проявляются путем обмена массивными частицами - промежуточными векторными бозонами W+, W- и Z0. При этом W+ и W--бозоны осуществляют взаимодействие заряженных токов, а Z0-бозоны - нейтральных.
Чтобы разобраться в критически важной связи между top-кварком и калибровочным W-бозоном, Макфарланд и Килминстер разработали специальную процедуру измерения четности top-кварка. Четность - это свойство квантовых частиц, описывающее, как они действуют, если все направления в пространстве меняются на противоположные (как будто бы мы рассматривали их в зеркале). Вообразите отправленный вашему сопернику теннисный мячик. Вы ожидаете, что мячик, отразившись рикошетом от ракетки противника или от корта, как от зеркала, полетит вспять. Однако не все свойства частицы при "отражении" меняются на противоположные. Так, закрученный вправо теннисный мячик после отражения от ракетки соперника полетит к вам, вращаясь в том же самом прежнем направлении - по часовой стрелке. Физики обнаружили нечто подобное и в микромире. Макфарланд и Килминстер полагали, что если удастся показать, что чрезвычайно тяжелый top-кварк является "левозакрученным", то слабая сила будет вероятнее всего действовать в том же самом направлении.
Измерение хиральности (свойства, наличие которого означает несовместимость объекта со своим отражением в идеальном зеркале) top-кварка с нужной точностью никогда прежде не проводилось, потому как не был придуман способ непосредственного измерения этого параметра top-кварка. Рочестерская группа решила изучить распады top-кварка на менее массивные частицы. Одна из основных функций слабой силы заключается в возможности "разъединять" более тяжелые частицы, подобные top-кварку, на более легкие кварки, из которых состоит почти вся видимая Вселенная. Килминстер разработал программу, которая позволяла выявить события от всех частиц, которые были произведены на свет в результате распада top-кварка, и определить статистическими методами, какой именно top-кварк был тому причиной.
В результате выяснилось, что в большинстве случаев распад top-кварка не обладал ожидаемой симметрией, и таким образом слабая сила проявляет себя в этом случае тем же самым основным способом, что и в случае взаимодействия всех остальных частиц. Теории, основанные на идее, согласно которой top-кварк и слабая сила связаны между собою особыми взаимоотношениями, не подтвердились.
"Тот факт, что top-кварк и W-boson имеют "связанные" массы, теперь скорее всего можно считать простым совпадением, - говорит Макфарланд. - Модели, которые полагаются на эту особую связь, выглядят все более неправдоподобными. Эти теории - отчаянное усилие удержать последние рубежи существенно скомпрометированной Стандартной модели. Если эти теории будут опровергнуты, то мы оказываемся перед необходимостью перейти к разработке принципиально новых моделей Вселенной".
Источник:
New Measurement Undermines Physicists' Theories for Nature's Hidden 'Particle-Force' Collaboration - University of Rochester Press Releases
Ссылки:
The Top Quark: worth its weight in gold - University of Rochester
Топ-кварк - Ядерная физика
Слабое взаимодействие - Квантовая механика
Мелодрама под названием "Время искать Хиггс" - "Русский переплет"
Круги на воде, или Зачем человечеству ускорители
- одно из четырех известных фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами. Слабое взаимодействие значительно слабее сильного и электромагнитного взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного.
Об интенсивности взаимодействий можно судить по скорости процессов, которые оно вызывает. Обычно сравнивают между собой скорости процессов при энергиях порядка 1 ГэВ, характерных для физики элементарных частиц. При таких энергиях процесс, обусловленный сильным взаимодействием, происходит за время порядка 10-24 с, электромагнитный процесс - за время порядка 10-21 с, характерное же время процессов, происходящих за счет слабого взаимодействия (слабых процессов), гораздо больше: порядка 10-10 с, так что в мире элементарных частиц слабые процессы протекают чрезвычайно медленно.
Другая характеристика взаимодействия - длина свободного пробега частицы в веществе. Сильно взаимодействующие частицы (адроны) можно задержать железной плитой толщиной в несколько десятков см, тогда как нейтрино, обладающее лишь слабым взаимодействием, проходило бы, не испытав ни одного столкновения, через железную плиту толщиной порядка миллиарда км. Еще более слабым является гравитационное взаимодействие, сила которого при энергии порядка 1 ГэВ в 1033 раз меньше, чем у слабого взаимодействия. Однако обычно роль гравитационного взаимодействия гораздо заметнее роли слабого взаимодействия. Это связано с тем, что оно, как и электромагнитное, имеет бесконечно большой радиус действия; поэтому, например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение всех атомов, из которых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает очень малым радиусом действия: около 2х10-16 см (что на три порядка меньше радиуса сильного взаимодействия). Вследствие этого, например, слабое взаимодействие между ядрами двух соседних атомов, находящихся на расстоянии 10-8 см, ничтожно мало, несравненно слабее не только электромагнитного, но и гравитационного взаимодействий между ними.
Однако, несмотря на малую величину и короткодействие, слабое взаимодействие играет очень важную роль в природе. Так, если бы удалось "выключить" слабое взаимодействие, то погасло бы Солнце, поскольку был бы невозможен процесс превращения протона в нейтрон, позитрон в нейтрино, в результате которого четыре протона превращаются в 4He, два позитрона и два нейтрино.
Физическая энциклопедия. М., 1994
Кварки и антикварки наряду с лептонами принадлежат к числу самых фундаментальных (неделимых, а точнее говоря, бесструктурных с точки зрения современной физики) компонентов окружающей нас материи и имеют по шесть различных разновидностей или "ароматов": "верхний" (up), "нижний" (down), "странный" (strange), "очарованный" (или "чармированный", charm), "красивый" (beauty или bottom) и "истинный" (truth или top), - и обычно объединяются в пары или троицы, формируя другие частицы - мезоны и барионы, которые скрепляются за счет ядерных сил (или "цветных", иначе говоря, сильных взаимодействий, переносчиками которых являются другие частицы - глюоны). Так, мезоны содержат кварк и антикварк, в то время как барионы состоят из трех кварков или трех антикварков. Два "верхних" и один "нижний" кварк образуют протон, а странный кварк и антикварк в совокупности дают отрицательный каон (ка-мезон).
| А также : | Наука Общество |