Юный техник, 2006 № 03 - Журнал «Юный техник»

Физикам давно бы хотелось добраться до таких частиц, которые бы можно было назвать «первокирпичиками Вселенной». С этой целью они открыли уже множество частиц, которые поначалу опрометчиво назвали элементарными. Однако всякий раз оказывается, что каждая «элементарная» частица, в свою очередь, делится на еще более элементарные. В итоге полный перечень элементарных частиц представляет сегодня весьма внушительный манускрипт. Специальный международный центр, который ежегодно обнародует сведения о новых элементарных частицах, каждый раз выпускает брошюру объемом около 50 страниц.

Впрочем, основных элементарных частиц не так уж много — всего десяток-другой, но и прочие важны для мироздания. Причем бесконечно дробить материю нельзя. Так можно дойти до абсурда и получить какой-нибудь бессмысленный результат, подобный полутора землекопам в неверно решенной школьной задачке.

Одно время исследователи надеялись было остановиться на кварках. Но теперь получается, что и кварков становится чересчур много для «первокирпичиков»… И сейчас на роль основного элемента Вселенной исследователи прочат опять-таки бозон Хиггса. Потому на него и охотятся.

В 2000 году физикам показалось, что бозон Хиггса наконец пойман. Однако серия экспериментов, предпринятых для проверки первого эксперимента, показала, что бозон снова ускользнул. Тем не менее, ученые уверены, что частица все-таки существует. А чтобы ее поймать, нужно просто построить более надежные ловушки, создать еще более мощные ускорители.

Один из самых грандиозных приборов человечества всеобщими усилиями строится сейчас в Европейском центре ядерных исследований близ Женевы. Класс установки обычно определяется энергией пучка, которая измеряется в электрон-вольтах (эВ). Самым крупным ускорителем в мире был выработавший свой ресурс, а потому закрывшийся в 2000 году Большой электронно-позитронный коллайдер (LEP), работавший в Европейском исследовательском центре CERN возле Женевы. На следующей ускорительной установке, которую назвали Новым линейным коллайдером (NLC), физики рассчитывают достичь энергии пучка в 250 млрд. эВ.

Электроны и соответствующие им античастицы — позитроны — рождаются в разных концах агрегата длиной более 30 км. Высокочастотное электромагнитное поле несет их друг к другу, как мощная волна несет на себе серфингистов. Столкновение частиц материи и антиматерии, движущихся внутри NLC со скоростью, предельно близкой к скорости света, должно высвободить энергию, достаточную для обнаружения пресловутого бозона Хиггса. Ведь NLC рассчитан на чудовищную энергию столкновения частиц, в нем смогут возникать даже лабораторные «черные дыры».

Все, что происходит при столкновении электронов и позитронов, будет зафиксировано при помощи специальных устройств, называемых детекторами. Попросту говоря, детектор — это сверхбыстродействующи аналог цифрового фотоаппарата. Он состоит из приборов с зарядовой связью, расположенных по кольцу вокруг узкой трубы, в которой происходят столкновения электронов с позитронами.

В течение долей секунды после каждого столкновения измерительные приборы сообщат компьютеру, получили ли они какой-нибудь сигнал, и если да, то какой. Вся эта информация затем сохраняется в обширной базе данных. Обработав около 300 миллионов ее элементов, физик может проследить движение каждой частицы, как сыщик выследил бы скрывающегося преступника по следам его операций с кредитными картами.

Так выглядит клистрон — основной элемент ускорителя.

Впрочем, ловят бозон Хиггса не только для того, чтобы убедиться в справедливости предвидения профессора, найти еще одного кандидата на роль «первокирпичика Вселенной». Гипотетическая частица, по мнению многих ученых, позволит сделать очередной шаг по созданию Стандартной модели мира или Единой теории, которую иногда также называют «теорией всего».

Сейчас исследователям известно четыре типа фундаментальных взаимодействий между частицами. Первое и наиболее общее взаимодействие — гравитационное, которое испытывают все частицы без исключения. Оно проявляется в том, что все материальные объекты, будь то микрочастицы или макротела, притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной их массам. Это взаимодействие по собственным ощущениям знает каждый человек, а описывается оно законом всемирного тяготения.

Переносчиками гравитационного взаимодействия по идее должны быть гравитоны — электрически нейтральные частицы, которые не имеют массы покоя и распространяются со скоростью света. При обычных плотностях материи гравитационное взаимодействие чрезвычайно слабо. По этой причине гравитоны до сих пор не найдены, хотя их пытаются обнаружить не один десяток лет.

В ядре работают другие силы — электромагнитные. Именно электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов, молекул, а значит, в конечном счете то, что окружающий нас мир таков, каков он есть. Это взаимодействие присуще только электрически заряженным частицам — электронам, протонам, заряженным мезонам. Обеспечивается оно квантами электромагнитного поля — фотонами, которые, подобно гравитонам, не имеют ни заряда, ни массы покоя и распространяются со скоростью света.

Третье, так называемое слабое, взаимодействие наиболее отчетливо проявляется в процессах с участием нейтрино — электрически нейтральной частицы, которая тоже, вероятно, не имеет массы покоя. Слабое взаимодействие имеет одно очень важное свойство: будучи действительно несильным при сравнительно малых энергиях, оно быстро усиливается с ростом энергии взаимодействия. При энергиях порядка нескольких сот гига-электрон-вольт слабое взаимодействие по своему влиянию уравнивается с электромагнитным.

Квантами — переносчиками слабого взаимодействия служат так называемые W- и Z-мезоны — очень тяжелые частицы, с массой примерно 80 и 90 ГэВ соответственно. Интересно, что эти частицы, подобно планете Нептун, были открыты теоретически, «на кончике пера». И лишь затем в начале 1983 года W- и Z-мезоны были обнаружены в экспериментах.

И наконец, четвертое фундаментальное взаимодействие, самое сильное из всех, так и называется сильное. Оно примерно в сто раз сильнее электромагнитного и присуще тяжелым ядерным частицам — нуклонам (протонам и нейтронам), пионам (разновидности мезонов) и их «сородичам». Из этих частиц, именуемых адронами, состоят атомные ядра, а в ходе их взаимодействия выделяется ядерная энергия. В последние двадцать лет выяснилось, что адроны — не элементарные частицы; они состоят из кварков, склеенных друг с другом глюонами.

Таким образом, как мы видим, в мире имеется четыре вида взаимодействий, которые, казалось бы, радикально отличаются друг от друга как по силе, так и по своим особенностям. «Но стоит задуматься, — полагают ученые, — а всегда ли было такое различие между этими взаимодействиями? Нет ли между ними внутренней связи, которая указывала бы на их происхождение от единого, более универсального взаимодействия в результате спонтанного нарушения симметрии?..»

Сейчас на этот вопрос с большой степенью вероятности можно дать утвердительный ответ. В первую очередь это касается электромагнитных и слабых взаимодействий. Во всяком случае, теория говорит о том, что электромагнитное и слабое взаимодействия — «потомки» одного, так называемого электрослабого, взаимодействия. А носителем этого взаимодействия должен быть как раз бозон Хиггса. Получается, эта частица обязательно должна существовать — иначе рушится сама теория.

С. НИКОЛАЕВ, научный обозреватель «ЮТ»

В Европейском исследовательском центре готовятся к новым экспериментам.

РАЗБЕРЕМСЯ, НЕ ТОРОПЯСЬ…

Ах, какие пузыри!

Вряд ли есть на Земле человек, который бы ни разу в жизни не видел мыльных пузырей. Эта детская забава миллионов и миллионов людей для физиков предмет изучения. Недаром великий английский физик лорд Кельвин в одной из своих лекций сказал: «Выдуйте мыльный пузырь и посмотрите на него. Вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики». Так что же удивительного находят в мыльном пузыре ученые?

Вы никогда не задумывались, почему мыльная вода, в отличие от обычной, способна раздуваться пузырями. Оказывается, все дело в том, что у мыльной воды меньше поверхностное натяжение. Обеспечивают же это так называемые ПАВы — поверхностно-активные вещества, содержащиеся в мыле.

«Каждая молекула ПАВ — это удлиненная цепочка, состоящая из многих атомов водорода и углерода», — пишет по этому поводу профессор Я.Е. Гегузин в своей работе, посвященной… — вы догадались правильно… — опять-таки пузырям.