2. Фундаментальные частицы и фундаментальные взаимодействия

    Фундаментальными называют частицы, которые по современным представлениям не имеют внутренней структуры. В 1963 году М. Гелл-Маном и Цвейгом была предложена идея кварковой структуры адронов. За последние 40 лет эта идея была подтверждена целым рядом экспериментов. Экспериментально открыты 12 фундаментальных фермионов (спин 1/2). Они приведены в табл. 3.

Таблица 3. Фундаментальные фермионы

    12 фундаментальным фермионам соответствуют 12 антифермионов.
    Тип кварка (u,d,s,c,b,t) принято называть его ароматом (flavor). В таблице 4 перечислены характеристики кварков. Помимо перечисленных в таблице характеристик, кварки обладают еще одним квантовым числом, называемым «цвет» (color). Каждый из 6 ароматов кварков (u,d,c,s,b,t) существует в трех цветовых разновидностях, например: зеленой, синей и красной. Антикварки имеют соответствующий антицвет: антизеленый, антисиний, антикрасный. Адроны «бесцветны», то есть цвета составляющих их кварков перемешаны поровну и в сумме дают отсутствие цвета («белый» цвет).
    Кварки в свободном состоянии не наблюдаются, они входят в состав адронов — частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Адроны, имеющие полуцелый спин, называются барионами. Известные барионы состоят из трех кварков (qqq) и имеют барионный заряд B = 1. К числу барионов относятся протон и нейтрон с кварковыми структурами p=(uud), n=(udd). Адроны, состоящие из кварков пяти ароматов (u,d,c,s,b), были подробно изучены с помощью ускорителей. t-кварк столь массивен, что для его образования потребовались ускорители колоссальных энергий. В апреле 1995 года он был обнаружен в экспериментах Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (FNAL).
    Частицы, имеющие целый спин, называются мезонами. Они имеют барионный заряд В = 0. Мезоны состоят из кварка и антикварка (q).
    Переносчики сильного взаимодействия − глюоны имеют не один, а два цветовых индекса (цвет и антицвет). Всего имеется 8 цветных глюонов, поскольку комбинация з + с + к не имеет цветового заряда (т.е. является «белой») и, следовательно, не переносит сильное взаимодействие. В свободном состоянии глюоны не существуют. Они, как и кварки, «заперты» внутри бесцветных адронов.

Таблица 4. Кварки (J=1/2, B=1/3)

    Кроме кварков существует еще шесть типов фермионов со спином 1/2, называемых лептонами. Они не участвуют в сильных взаимодействиях. В отличие от кварков, любой из шести лептонов наблюдается в свободном состоянии. Электрон − самый изученный лептон. Два других заряженных лептона − мюон (открыт в 1937 году в космических лучах) и тау-лептон (открыт в 1975 году на ускорителе). Остальные три лептона − это нейтрино, нейтральные частицы с очень большой проникающей способностью и, вероятно, очень малой массой (если она вообще у них есть). Каждому заряженному лептону соответствует свое нейтрино. Для каждого из шести лептонов существует антилептон с такой же массой и противоположным электрическим зарядом и лептонным квантовым числом.
    Для практически полного описания окружающего мира достаточно кварков и лептонов первого поколения. Роль частиц второго итретьего поколений до конца не ясна. Предполагается, что существование трех поколений фермионов должно вести к СР-нарушению в природе и к преобладанию вещества над антивеществом, что, в конечном счете, обуславливает существование окружающего нас мира.

Таблица 5. Фундаментальные взаимодействия

    Взаимодействие фундаментальных частиц осуществляется за счет 4 типов взаимодействий: гравитационного, сильного, электромагнитного и слабого. Гравитационные силы практически не проявляются в физике частиц, например, интенсивность гравитационного взаимодействия двух протонов составляет около 10^-38 интенсивности их электромагнитного взаимодействия. Порядок величин констант взаимодействий, приведенных в таблице 5, соответствует энергии взаимодействия Е < 1 ГэВ. В области более высоких энергий величины констант взаимодействия зависят от энергии.
    В дальнейшем будут обсуждаться три типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное и слабое.

Таблица 6. Фундаментальные (калибровочные) бозоны

Калиб-ровочные бозоны	Масса, ГэВ	J, спин	Р, четность	I, изоспин	Основные моды   распада, %	Ширина распада, ГэВ
γ	0	1	-1	0, 1	стабилен
g	0	1	-1	0	стабилен
W±	80.41± 0.10	1			hadrons, 68% e+ν, 10.9% μ+ν, 10.2% τ+ν, 11.3%	2.06± 0.06
Z	91.187± 0.007	1			hadrons, 70% ν, 20% e+e-, 3.37% μ+μ-, 3.37% τ+τ-, 3.36%	2.490± 0.007

    Взаимодействия фундаментальных фермионов осуществляются за счет обмена переносчиками взаимодействия − фундаментальными (или калибровочными) бозонами. Взаимодействие частиц, имеющих электрический заряд, происходит посредством обмена квантами электромагнитного поля - фотонами (или γ-квантами). Фотон электрически нейтрален. Сильное взаимодействие осуществляется за счет обмена глюонами (g) − электрически нейтральными безмассовыми переносчиками сильного взаимодействия. Глюоны переносят цветовой заряд (смотри ниже). В слабом взаимодействии принимают участие все лептоны и все кварки. Переносчиками слабого взаимодействия являются массивные W- и Z-бозоны. Существуют положительные W⁺-бозоны и отрицательные W^--бозоны, являющиеся античастицами по отношению друг к другу. Z-бозон электрически нейтрален.
    Одной из задач физики является объединение различных взаимодействий в рамках единого описания. В 1960-х годах слабое и электромагнитное взаимодействия были объединены в единую теорию электрослабого взаимодействия. Теория, описывающая с единых позиций электромагнитное и слабое взаимодействия кварков и лептонов, называется Моделью электрослабого взаимодействия Глэшоу-Вайнберга-Салама. Объединение происходит при энергиях порядка энергии покоя Z-бозона, т.е. при энергиях порядка 90 ГэВ. Модель электрослабого взаимодействия вместе с КХД составляют Стандартную Модель (СМ) взаимодействия элементарных частиц. В настоящее время нет ни одного экспериментального факта, противоречащего предсказаниям СМ. Возможно, что процесс дальнейшего объединения взаимодействий может быть решен при энергиях, превышающих на 10–12 порядков энергии, доступные на современных ускорителях. При таких больших энергиях теоретически оказывается возможным свести к одному взаимодействию электрослабое и сильное взаимодействия. Такая теория называется Теорией Великого Объединения (ТВО). Точнее, существует целый ряд таких теорий. Для того, чтобы сказать, какая из множества версий (если она вообще реализуется) наиболее адекватно описывает природу, требуется много дополнительной экспериментальной информации. Часть такой информации будет возможно получить на установке ATLAS.
    В ТВО, помимо известных калибровочных бозонов - переносчиков сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, возникают X и Y калибровочные бозоны. Взаимодействие, происходящее при помощи Х- и Y-бозонов, по современным теоретическим представлениям должно нарушать законы сохранения лептонного и ба-рионного числа, и, как следствие, могло бы приводить к распаду протона. Такие распады должны происходить крайне редко, иначе сегодня наш мир не существовал бы. Оценки показывают, что период полураспада протона превышает 1032 лет. Это означает, что энергии покоя Х- и Y-бозонов должны превышать 10¹⁵ ГэВ. На современных ускорителях прямое наблюдение столь тяжелых бозонов невозможно. Для поиска распада протона строятся огромные установки, содержащие сотни и тысячи тонн вещества (обычно воды) и погруженные в это вещество детекторы (обычно, черенковские счетчики).
    Теории суперсимметрии (СУСИ-теории) служат еще одним возможным кандидатом на единую теорию взаимодействия фундаментальных частиц. В СУСИ-теориях не делается различия между частицами с целым и полуцелым спинами. Каждой частице с целым спином ставится в соответствие частица с полуцелым спином и наоборот. Такие частицы называются суперпартнерами. В рамках СУСИ-теорий в общую схему взаимодействия возможно включение гравитации, что представляется трудной задачей в ТВО. Основным недостатком СУСИ-теорий является то, что из всех открытых к настоящему времени фундаментальных частиц ни одна не может рассматриваться как суперпартнер другой. Таким образом, число фундаментальных частиц сразу удваивается, причем половина их не обнаружена экспериментально.
    В CERN с осени 1995 года ведутся эксперименты по обнаружению суперпартнеров W-бозонов, а в лаборатории им. Ферми − кварков и глюонов. Возможно, что наилегчайшие из нейтральных суперсимметричных частиц могут составлять до 90% темного вещества во Вселенной. Если СУСИ-теория верна, то в экспериментах на детекторах ATLAS и CMS становится возможным обнаружить некоторые легчайшие суперсимметричные частицы.
    Одной из важнейших целей создания установок ATLAS и CMS является обнаружение хиггсовских частиц и изучение их свойств. Существование бозонов Хиггса чрезвычайно важно для физики элементарных частиц. По современным теоретическим представлениям, хиггсовские бозоны имеют прямое отношение к концепции происхождения масс элементарных частиц − фундаментальному вопросу современной физики. Примечательно, что этот вопрос не поднимался до тех пор, пока не появилась Стандартная Модель.
    Стандартная Модель предполагает, что существует еще одно поле, которое практически неотделимо от пустого пространства. Его принято называть полем Хиггса. Считается, что все пространство заполнено этим полем, и что частицы приобретают массу путем взаимодействия с ним. Те из них, которые сильно взаимодействуют с полем Хиггса, являются тяжелыми частицами, а слабовзаимодействующие − легкими. Этот эффект аналогичен эффекту движения тела в вязкой жидкости, когда оно за счет взаимодействия с жидкостью приобретает дополнительную эффективную массу. Еще один пример − электрон в кристалле. Из-за электромагнитного взаимодействия с атомами кристаллической решетки электрон приобретает эффективную массу, отличную от массы свободного электрона.
    В силу корпускулярно-волнового дуализма полю Хиггса должна соответствовать, по крайней мере, одна частица − квант этого поля, называемая частицей Хиггса или хиггсовским бозоном. Считается, что хиггсовский бозон имеет нулевой спин. Экспериментальное наблюдение хиггсовского бозона − одно из величайших научных открытий XXI века.
    Все процессы взаимодействия частиц подчиняются законам сохранения. В приложении перечислены законы сохранения и указано, в каком типе фундаментальных взаимодействий данная характеристика сохраняется. Отметим, что некоторые законы сохранения аддитивны /А/ (т.е. в процессе сохраняется суммарная величина − например, во всех взаимодействиях сохраняется сумма энергий частиц). Ряд законов сохранения имеет мультипликативный характер /М/ − сохраняется произведение величин. Очень важно, что законы сохранения имеют глубокую связь со свойствами симметрии.