Для теории, которой пока не хватает довольно крупных составляющих, Стандартная модель частиц и взаимодействий оказалась вполне успешной. Она учитывает все, с чем мы ежедневно сталкиваемся: протоны, нейтроны, электроны и фотоны, а также такую экзотику, как бозон Хиггса и истинные кварки. Тем не менее теория неполная, так как она не может объяснить такие феномены, как темная материя и темная энергия.

Успех Стандартной модели обусловлен тем, что она представляет собой полезный гид по известным нам частицам вещества. Одним из таких важных паттернов можно назвать поколения. Похоже, каждая частица вещества может быть трех разных версий, которые различаются только массой.

Ученые задаются вопросом, есть ли у этого паттерна более подробное объяснение или пока проще верить, что ему на смену придет какая-то сокровенная истина.

Стандартная модель — это меню, содержащее все известные фундаментальные частицы, которые невозможно более разделить на составные части. Она делится на фермионы (частицы вещества) и бозоны (частицы — переносчики взаимодействий).

Стандартная модель элементарных частиц и взаимодействий / © ALEPH Collaboration

В частицы вещества входят шесть кварков и шесть лептонов. Кварки следующие: верхний, нижний, очарованный, странный, истинный и прелестный. Обычно они не существуют по отдельности, а группируются вместе, формируя более тяжелые частицы, такие как протоны и нейтроны. В лептоны входят электроны и их двоюродные братья — мюоны и тау, — а также три типа нейтрино (электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино).

Все вышеупомянутые частицы разделяются на три «поколения», которые буквально копируют друг друга. У верхнего, очарованного и истинного кварков одинаковый электрический заряд, а также одинаковые слабое и сильное взаимодействия: они прежде всего отличаются массами, которыми их наделяет поле Хиггса. То же самое относится к нижнему, странному и прелестному кваркам, а также электрону, мюону и тау.

Как было сказано выше, такие отличия могут что-то значить, но физики еще не выяснили что. Большинство поколений сильно различаются по массе. Например, тау-лептон примерно в 3600 раз массивнее электрона, а истинный кварк почти в 100 тысяч раз тяжелее верхнего кварка. Это различие проявляется в стабильности: более тяжелые поколения распадаются на более легкие до тех пор, пока не достигнут самых легких состояний, которые остаются стабильными вечно (насколько это известно).

Поколения играют важную роль в экспериментах. Например, бозон Хиггса — нестабильная частица, распадающаяся на множество других частиц, включая тау-лептоны. Получается, из-за того, что тау — самая тяжелая из частиц, бозон Хиггса «предпочитает» превращаться в тау чаще, чем в мюоны и электроны. Как отмечают работники ускорителей частиц, лучше всего изучать взаимодействия поля Хиггса с лептонами — посредством наблюдения распада бозона Хиггса на два тау.

Распад бозона Хиггса на прелестные кварки / © ATLAS Collaboration/CERN

Такой тип наблюдений находится в самом сердце физики Стандартной модели: столкните две или более частиц друг с другом и посмотрите, какие частицы появятся, затем ищите в остатках закономерности — и, если вам повезет, вы увидите что-то, не вписывающееся в вашу картину.

И хотя такие вещи, как темная материя и темная энергия, явно не вписываются в современные модели, в самой Стандартной модели есть некоторые проблемы. Например, согласно ей нейтрино должны быть безмассовыми, но эксперименты показали, что масса у нейтрино все-таки есть, пусть она и невероятно мала. И, в отличие от кварков и электрически заряженных лептонов, разница масс между поколениями нейтрино незначительна, что объясняет их колебания от одного типа к другому.

Не имея массы, нейтрино неотличимы друг от друга, с массой — они разные. Разница между их поколениями озадачивает как теоретиков, так и экспериментаторов. Как отметил Ричард Руиз из Питтсбургского университета: «На нас в упор уставилась какая-то закономерность, но мы не можем разобраться, как именно ее следует понимать».

Даже если бозон Хиггса только один — тот, который входит в Стандартную модель, — наблюдая за его взаимодействиями и распадом, можно многое узнать. Например, изучая то, насколько часто бозон Хиггса преображается в тау по сравнению с другими частицами, можно проверить обоснованность Стандартной модели, а также получить подсказки о существовании других поколений.

Конечно, едва ли есть еще какие-то поколения, так как кварк четвертого поколения должен быть намного тяжелее даже истинного кварка. Но аномалии в распаде Хиггса могут поведать о многом.

Опять же, на сегодня никто из ученых не понимает, почему есть именно три поколения частиц вещества. Тем не менее структура Стандартной модели — сама по себе подсказка к тому, что может находиться за ее пределами, включая так называемую суперсимметрию. Если у фермионов есть суперсимметричные партнеры, они также должны состоять из трех поколений. То, как распределены их массы, может помочь в понимании распределения масс фермионов в Стандартной модели, а также того, почему они укладываются именно в эти паттерны.

Суперсимметрия предполагает существование у каждой частицы Стандартной модели более тяжелого «суперпартнера» / © CERN/IES de SAR

Вне зависимости от того, сколько поколений частиц есть во Вселенной, сам факт их наличия остается загадкой. С одной стороны, «поколения» — не более чем удобная организация частиц вещества в Стандартной модели. Однако вполне возможно, что эта организация может выжить в более глубокой теории (например, в теории, где кварки состоят из еще более мелких гипотетических частиц — преонов), которая сможет объяснить, почему кварки и лептоны, судя по всему, образуют эти паттерны.

В конце концов, даже несмотря на то, что Стандартная модель еще не окончательное описание природы, до сего момента эта теория справлялась со своей задачей весьма хорошо. Чем больше научное сообщество приближается к краям начерченной этой теорией карты, тем ближе ученые подбираются к истинному и точному описанию всех частиц и их взаимодействий.

Источник: Naked Science

Читайте также:

– Покушение на сон: можно ли спать меньше без вреда для здоровья;

– Подземная лодка: внезапный удар по врагу;

– Одинокие и одержимые: редкие психические заболевания.

При изучении научного метода первым делом на ум приходит четкая процедура, которой можно следовать для понимания некоторых естественных феноменов. Начните с идеи, проведите эксперимент, а затем в зависимости от результата либо подтвердите, либо опровергните эту идею. Однако реальный мир намного запутаннее. Иногда при проведении эксперимента можно получить абсолютно отличный от ожидаемого результат. В некоторых же случаях правильное объяснение требует немалой фантазии, выходящей далеко за грани того, что смог бы логически заключить здравомыслящий человек. Можно сказать, что сегодня у нас есть довольно исчерпывающее понимание Вселенной, но история достижения этого понимания полна неожиданностей. И, скорее всего, со временем их будет появляться все больше. Вот пять самых больших из таких «внезапностей».

Скорость света не меняется даже при ускорении его источника

Представьте, что вы кидаете мяч так быстро, как только можете. В зависимости от того, какой это вид спорта, ваш бросок может достигнуть скорости до 45 метров в секунду — и это только при броске рукой. А теперь представьте, что вы едете в поезде или летите на самолете с очень высокой скоростью: скажем, 134 метра в секунду. Если вы сбросите мяч с поезда, двигаясь в направлении броска, насколько быстро он будет двигаться? Сложите скорости — и вы получите 179 метров в секунду. А теперь вообразите, что вместо того, чтобы бросить мяч, вы пускаете луч света. Значит, вы прибавляете скорость света к скорости поезда и… получаете абсолютно неверный ответ.

Именно это было центральной идеей Специальной теории относительности Эйнштейна, однако само экспериментальное открытие сделал отнюдь не он. Это в своей работе 1880 года продемонстрировал Альберт Майкельсон. Вне зависимости от того, пускаете вы луч света в направлении движения Земли, перпендикулярно ему или антипараллельно ему, — это не имеет никакого значения. Свет всегда движется с одинаковой скоростью: cо скоростью света в вакууме (299 792 458 метров в секунду). Майкельсон разработал интерферометр для измерения движения Земли через эфир, а вместо этого проложил путь к Теории относительности. Полученная им в 1907 году Нобелевская премия по сей день остается самым важным нулевым результатом в истории науки.

Интерферометр Майкельсона (сверху) показал незначительное смещение в световых моделях (снизу, сплошной линией) по сравнению с тем, что ожидалось в случае истинности галилеевской относительности (снизу, пунктиром). Скорость света была одинаковой, вне зависимости от того, куда был направлен интерферометр — в одном направлении с Землей, перпендикулярно или в обратную сторону / © Albert A. Michelson/E. Morley

«Недостающая энергия» и открытие «призрачной частицы»

Во всех наблюдаемых взаимодействиях между частицами энергия всегда сохраняется. Она может преобразовываться из одного типа в другой — потенциальную, кинетическую, массу покоя, химическую, атомную, электрическую и так далее, — но не может быть создана или уничтожена. Именно поэтому почти век назад ученые озадачились тем, что в некоторых радиоактивных распадах общая энергия их продуктов была ниже, чем у их реагентов. Это привело Нильса Бора к выводу о том, что энергия сохраняется всегда, кроме случаев, когда она теряется. И хотя Бор ошибался, верные идеи были у Вольфганга Паули.

Паули утверждал, что энергия должна сохраняться, и в 1930 году предложил новую частицу — нейтрино. Этот «нейтральный малыш» должен был не взаимодействовать электромагнитно, но при этом иметь миниатюрную массу и уносить кинетическую энергию. Несмотря на то что многие отнеслись к гипотезе скептически, проведенные в 1950-х и 1960-х годах эксперименты в итоге обнаружили как нейтрино, так и антинейтрино, что привело физиков к разработке Стандартной модели и модели слабого ядерного взаимодействия. Это удивительный пример того, как теоретические предсказания порой наталкивают на удивительные прорывы после разработки правильных экспериментальных техник.

99,9% массы атома находится в сверхплотном ядре

Вы когда-нибудь слышали о «пудинговой модели атома»? Сегодня это звучит странно, но в начале XX века это была общепринятая модель атомов, согласно которой атомы состояли из отрицательно заряженных электронов (ведущих себя как сливы), находящихся в позитивно заряженной среде (ведущей себя как пудинг), заполнявшей все пространство. Электроны можно выбить или изъять из атома, что объясняет феномен статического электричества. Долгие годы модель Джозефа Джона Томсона c маленькими электронами в позитивно заряженном субстрате была общепринятой. Пока ее не решил проверить Эрнест Резерфорд.

Резерфорд считал, что при пуске заряженных частиц (продуктов радиоактивного распада) по тонкому листу золота они целиком пройдут через него. И многие из них действительно прошли, но часть удивительным образом отскочила.

«Это было почти столь же невероятно, как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес удар», — вспоминал позже Резерфорд.

Схема эксперимента Резерфорда / © CK12

Он обнаружил, что атомное ядро, содержащее почти всю массу атома, было сжато в объем размером в одну квадриллионную (10-15) от всего размера частицы. Так родилась современная физика, заложившая фундамент для квантовой революции XX века.

Нестабильные высокоэнергетические «родственники» обычных частиц

Зачастую говорят, что прорывы в науке встречают не возгласом «Эврика!», а скорее чем-то вроде «Это забавно». Именно это и произошло в фундаментальной физике. Так, если вы зарядите электроскоп — в котором два листа проводящего металла подключены к другому проводнику, — оба листа получат один и тот же электрический заряд и в итоге будут отталкивать друг друга. Если поместить этот электроскоп в вакуум, они со временем потеряют заряд, хотя вроде бы не должны. Лучшая из предложенных идей касательно этой потери заряда заключалась в существовании высокоэнергетических частиц, «бьющих» по Земле из открытого космоса, — космических лучей — и в том, что электроскоп разряжает продукты этих столкновений.

В 1912 году Виктор Хесс провел эксперименты на воздушном шаре в поисках этих высокоэнергетических космических частиц, буквально сразу обнаружив их в большом количестве и став отцом космических лучей. Если соорудить камеру обнаружения с магнитным полем, можно измерить и скорость, и соотношение массы и заряда на основе того, как изгибается след частицы. При помощи этого метода были обнаружены протоны, электроны и даже первые частицы антиматерии, но удивительнее всего то, что Пол Кунце нашел след частицы, похожей на электрон, но в сотни раз превосходящей его по массе.

Фейнмановская диаграмма, описывающая превращение нейтрона в протон, электрон и антиэлектронное нейтрино, объясняющее проблему несохранения энергии в бета-распаде / © Joel Holdsworth

Существование мюона, «живущего» 2,2 микросекунды, было позднее экспериментально подтверждено и зарегистрировано Карлом Андерсоном и Сетом Неддермейером. Когда о существовании мюона узнал нобелевский лауреат Исидор Раби, он сказал: «Ну и кто это заказывал?»

Позже выяснилось, что и у композитных частиц (вроде протона и нейтрона), и у фундаментальных (кварки, электроны и нейтрино) есть несколько поколений более тяжелых «родственников», а мюон стал первым из открытых представителей второго поколения.

Вселенная началась со взрыва — и выяснили это неожиданно

В 1940 году Георгий Гамов с коллегами предложили радикальную идею о том, что расширяющаяся и остывающая сегодня Вселенная была гораздо горячее и плотнее в прошлом. Если погрузиться глубоко в прошлое, мы получим достаточно горячую Вселенную для ионизации всего ее вещества. Если вернуться еще дальше, распадутся атомные ядра. Эту идею называли Большим взрывом, и согласно ей было сделано два важных предсказания:

Вселенная, известная нам, должна иметь в себе материю, состоящую не только из протонов и электронов, но и из смеси легких элементов, сплавленных вместе во времена ранней, высокоэнергетической Вселенной;

Когда Вселенная достаточно остыла для образования нейтральных атомов, появилось высокоэнергетическое излучение, вечно движущееся по прямой линии, пока она с чем-то не столкнется, сместится в красный спектр и потеряет энергию при расширении Вселенной.

Также было предсказано, что этот «космический микроволновый фон» — или реликтовое излучение — имеет температуру всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.

Согласно оригинальным наблюдениям Пензиаса и Уилсона, галактическя плоскость имела несколько астрофизических источников излучения (в центре), но над и под ней наблюдался только практически равномерный фон излучения / © NASA/WMAP

В 1964 году Боб Уилсон и Арно Пензиас случайно увидели остаточное свечение Большого взрыва. Работая с радиоантенной в лабораториях Белла, они обнаружили равномерный шум в любом наблюдаемом участке неба. И это не было Солнце, Галактика или земная атмосфера. Они понятия не имели, что это вообще такое. Ученые решили прочистить внутреннюю часть антенны швабрами, прогнав в процессе голубей, но шум не пропал. Только после того, как они показали результаты физику, знакомому с детальными предсказаниями группы из Принстона (Роберт Дикке, Джеймс Пиблс, Дэвид Уилкинсон и другие) и радиометром, который они строили для регистрации именно этого типа сигнала, стало понятно, насколько важна их находка. Так впервые в истории науки появились данные о происхождении Вселенной.

Оглядываясь на весь объем научных знаний, доступных сегодня, на силу научных предсказаний и на то, как столетия открытий изменили жизнь человечества, хочется думать, что наука — постоянная прогрессия идей. Однако это едва ли можно сказать об истории науки, полной сюрпризов и противоречий. Ученые, работающие на ее переднем крае, сталкиваются с рисками, исследуют новаторские сценарии и «бьют» в цели, по которым никто не бил раньше. Пусть истории, к которым мы обратились в этой статье, и полны успешных открытий, реальная история науки кишит тупиками, неудачными экспериментами и элементарными ошибками. Но, как бы то ни было, открытый ум, готовность и возможность испытывать идеи, а еще способность учиться на основе полученных результатов и пересматривать сделанные выводы — все это помогает не дать науке погрузиться во тьму и стремится к свету новых знаний.

Источник: Naked Science

Читайте также:

– Вселенная десяти измерений: как представить дополнительные измерения;

– Это все у вас в голове: психосоматика и реальные заболевания;

– Компактификация измерений: почему мы воспринимаем только четыре измерения.

По словам Фалькова, это «позволяет рассчитывать на то, что открытия, которые будут сделаны, и информация, которая будет обработана, позволят много научных задач решить».

«В частности, мы рассчитываем, что наши коллеги все-таки внесут свой вклад, мы все вместе поймем, как устроена Вселенная, прочитаем историю Вселенной, как зарождались галактики», – добавил министр.

Директор Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), академик РАН Григорий Трубников заявил, что «с запуском телескопа «Байкал» мы абсолютно сразу становимся мировыми лидерами в области исследования свойств нейтрино».

«Байкал» будет крупнейшим нейтринным телескопом в Северном полушарии, и начало исследований на нем является очередным триумфом российской науки и международного научного сотрудничества», – добавил он.

По словам академика, телескоп позволит «регистрировать лучшую на порядок статистику нейтрино, чем это было возможно в предыдущие годы»: «С помощью «Байкала» мы сумеем зафиксировать гораздо больше высокоэнергетических частиц, чем раньше, и даже будем регистрировать частицы, которые родились раньше, чем Солнечная система. Это позволит нам лучше понять рождение, развитие и устройство Вселенной. В начале апреля планируем завершить наращивание новых кластеров телескопа».

Нейтрино – это одна из элементарных частиц, появляющихся в результате ядерных реакций, обладает феноменальной проникающей способностью. В середине 1930-х годов ученые вычислили, что нейтрино с энергиями порядка нескольких мегаэлектронвольт настолько слабо взаимодействуют с веществом, что могут преодолеть слой жидкого водорода толщиной в тысячу световых лет.

В 2015 году за открытие нейтринных осцилляций, которые доказывают, что нейтрино обладает массой, была присуждена Нобелевская премия по физике.

Установка класса мегасайенс «Байкальский глубоководный нейтринный телескоп» строится с 2015 года на 106-м км Кругобайкальской железной дороги на озере Байкал силами международной коллаборации Baikal-GVD.

Возведение установки происходит под патронажем исследователей из Объединенного института ядерных исследований (город Дубна) и Института ядерных исследований РАН (город Москва) с важным вкладом ученых и инженеров из российских научных центров и зарубежных исследователей, в частности из Чехии, Словакии и Польши.

Основными целями нейтринного телескопа являются обнаружение источников нейтрино сверхвысоких энергий, исследование эволюции галактик и Вселенной. Он также станет основой развития нейтринной астрономии и астрофизики.

В мире несколько нейтринных телескопов подобного типа – они все большие: в Средиземном море, в Антарктиде, в Китае и Японии. Они исследуют сигналы от высокоэнергичных нейтрино, прилетающих из космоса: из рождающихся или умирающих галактик и различных экзотических звездных объектов.

Самый крупный на данный момент нейтринный телескоп «Ледяной куб» располагается в Антарктиде и управляется международной коллаборацией. Его эффективный объем – почти половина кубического километра. Телескоп измеряет потоки нейтрино, влетающие из космоса со стороны Северного полюса, пронизывающие Землю и выходящие в районе Южного полюса.

Телескоп «Байкал» будет исследовать потоки нейтрино, «прошивающие» Землю с Южного полюса и выходящие в Северном полушарии, в районе Байкала. Два крупнейших нейтринных телескопа – антарктический и байкальский – создадут полную объемную картину («4p-геометрию») пронизывающих планету потоков сверхэнергичных частиц.

Плюс ко всему, этот телескоп является и элементом мониторинга экосистемы самого озера Байкал.

Новая установка состоит из системы глубоководных станций (вертикальных гирлянд) и стальных тросов, прикрепленных ко дну озера якорями. Наверху, на глубине 20 метров, система поплавков (кухтылей) поддерживает гирлянду в вертикальном положении. К тросу подвешены 36 оптических модулей на расстоянии 15 метров друг от друга. Также есть четыре электронных модуля, обеспечивающих электропитание, сбор данных, калибровку, синхронизацию и управление телескопом, и 3-4 гидроакустических модуля (модема) для точного позиционирования оптических модулей в водной среде.

Глубоководные станции объединены в кластеры. Каждый из них соединен оптоэлектрическим кабелем с береговым центром, где дежурные операторы и электрики ведут круглосуточный контроль за работой телескопа.

По сравнению с другими телескопами главными преимуществами Байкальского нейтринного телескопа являются физические характеристики рабочей среды – байкальского льда. Они позволяют восстанавливать события основного типа – сопровождаемые каскадами заряженных частиц с угловым разрешением порядка четырех 4 градусов. При этом достигаемая точность в IceCube (американский детектор) - примерно 10–15 градусов. Это значит, что угловое разрешение российского телескопа в несколько раз лучше, и появление телескопа с такими характеристиками открывает беспрецедентные возможности для исследований в области нейтринной астрофизики и астрономии высоких энергий.

Источник: https://ria.ru/20210312/teleskop-1600858930.html

Фото: https://isu.ru/