Жорж Шарпак - Спогади вигнанця, фізика, громадянина світу, Жорж Шарпак

Час підбивати підсумки

Прислів’я, популярне серед фізиків частинок, стверджує, що відкриття здійснюються протонними приладами, а найточніші заміри — електронними.

У 1989 р., в ейфорії після відкриття W та Z, у ЦЕРНі ввели в дію колайдер LEP (Великий електронно-позитронний колайдер). Після нетривалого переходу, позначеного методом адронних колайдерів, повернулися до електронно-позитронних анігіляцій. Мета була зрозуміла: напрацювати велику кількість Z0, щоб якнайкраще дослідити властивості. Знаючи масу цього об’єкта — близько 90 ГеВ/с2, достатньо було спорудити прилад, здатний досягати рівня 50 ГеВ на кожен потік, і примусити до взаємодії електрони енергією 50 ГеВ з такими ж позитронами. Звели уставу для отримання Z0: завдання LEP полягало в якнайточнішому вивченні властивостей частинки-посередниці у слабкій взаємодії задля створення підґрунтя для базової Стандартної моделі. Як і експеримент із магнетизмом мюонів, що з дивовижною точністю перевірив електромагнітну теорію, LEP мав перевірити слабку взаємодію. Деякі фізики сподівалися відтрутити модель, зламати її та подивитися, що ж далі. Але LEP підвів під Стандартну модель солідну базу.

Технічна проблема полягала у властивості електронів (або позитронів), що мають невелику масу, випромінювати — а отже, втрачати — енергію. Протони ж, наприклад, мудро зберігають енергію, описуючи кола у приладі. Поступова втрата енергії то сильніша, що більша кривина приладу. Отже, вирішили побудувати кільце з якомога більшим радіусом.

Прискорювач зібрали в тунелі обводом 27 км на глибині 100 м методом, що використовується в будівництві метро. У чотирьох точках кільця вздовж обводу було поставлено чотири великі експерименти. У фізиці частинок звичайно поєднують кілька дослідів на одну тему, аби порівняти результати і мати більше свободи під час аналізу. Десятиріччями ці аргументи виправдовували суперництво по два боки Атлантики, а до того протонно-антипротонний колайдер ЦЕРНу наслідували два експерименти UA1 і UA2. Нащо проводити одразу чотири досліди? Можливо, справа у зацікавленості багатьох вчених: LEP дав роботу близько двом тисячам фізиків, за кожною програмою співпраці стояло до 500 науковців. З таким штатом, що вказував на неминучу інфляцію досвіду, впродовж десятиліть щастило побудувати амбітні моделі детекторів.

Збирання даних почалося 1989 р., і перший же результат — можливо, найважливіший результат упродовж усієї роботи LEP — було витлумачено за якихось кілька годин: існують лише три сімейства елементарних складників. Цей результат було одержано на самому початку збирання даних, слідуючи за тим, що дістало назву кривої збудження Z0. Енергія пучків поступово змінюється таким чином, щоби дослідити область Z0 і визначити ширину кривої, яка її характеризує.

Z0 взаємодіє з усіма елементарними складниками, які утворює у парах частинка-античастинка. Таким чином можна утворювати акти від u-анти-u та е-анти-е. Кожне сімейство має своє нейтрино, тож очікують на відкриття каналів ν-анти-ν, причому кожен «присмак» нейтрино представлений доволі демократично.

Усі заряджені складники, здатні брати участь у розпаді Z0, були відомі. Натомість ніхто не знав про кількість різновидів нейтрино. А крім того, є й «присмаки» нейтрино, і можливі канали розпаду. Це вело до коротшого життя, а отже, де ширшої кривини. Величезна кількість різноманітних нейтрино надавала кривій доволі пласкої форми. Ширина кривої точно вказує на кількість різновидів нейтрино, що існують у Всесвіті. Результат — незаперечний. Ширина у 2,7 ГеВ вказує на існування лише трьох нейтрино.

Хоч основний результат було одержано в перший же день роботи, прилад іще з десяток років продовжував збирати дані, накопичивши кілька мільйонів зразків Z0. Було здійснено низку вельми точних обрахунків. Під усіма можливими кутами зору досліджували всі більш або менш рідкісні типи розпаду, шукали нові частинки, передбачені більш або менш переконливими моделями, вивчали розподіл виявлених частинок за енергією та напрямком. Нині Z0 — одна з найбільш вивчених частинок у цьому «звіринці», і досі не виявлено жодної аномалії: перевірено найглибші закутки Стандартної моделі.

LEP зазнав другої робочої фази, коли його енергію було збільшено до 100 ГеВ на потік — таким чином утворювалися пари W+ W-. Умови роботи ускладнилися, поталанило зафіксувати лише кілька тисяч пар. Проте Стандартна модель і тут здобула перемогу.

У результаті дванадцятирічної праці — не рахуючи десяти років, присвячених розбудові колайдера — фізики відтворили будову відомої матерії за допомоги 12 елементарних складників. У таблиці їх розподілено по трьох сімействах. Кожне містить два об’єкти типу лептон, один об’єкт із зарядом -1 (у першому сімействі це електрон), один електрично нейтральний об’єкт, нейтрино і два кварки — один зарядом +2/3 (u-кварк у першому сімействі), другий зарядом -1/3 (d-кварк у першому сімействі). Кожен складник має спін ½ і належить до родини ферміонів. Список треба продублювати, враховуючи антипартнерів з такими ж властивостями, але протилежними зарядами.

Елементарні складники — три сімейства ферміонів та бозони взаємодій

Отже, матерія складається з цієї купки елементарних частинок. Протон, скажімо, містить два u-кварки та один d-кварк. Перше сімейство дозволяє збагнути всю матерію, що утворює світ, звичний для нас — і твердь земну, і небеса. Два інші мають ту саму структуру з лептонів і кварків, але з переходом з одного сімейства до наступного складники важчають. Додаткові об’єкти утворюються побіжно, їх виявляють або в космічному випромінюванні, або під час експериментів у прискорювачі.

Чому аж три сімейства, якщо для відтворення звичайної матерії достатньо й одного? Відповіді на це запитання іще не знайдено, проте, щоби пояснити порушення ЗП, про яке йшлося вище, необхідні всі три сімейства. Порушення сприймається як фаза у сполученні різних об’єктів, і така фаза стає можливою лише за наявності трьох сімейств. Порушення ЗП — один зі складників, що дозволяють збагнути зникнення антиматерії під час еволюції Всесвіту. Отже, без трьох сімейств Всесвіт мав би однакову кількість матерії та антиматерії, що завадило би появі людей.

Взаємодії між складниками розуміються як обмін агентами, що переносять силу. Ці нові об’єкти також вказано у таблиці. Їх назвали бозонами, бо вони посідають один-єдиний спін: 8 g-глюонів склеюють кварки всередині адронів, γ-фотони пояснюють електромагнітні взаємодії (так само як і світло), бозони W± та Z0 відповідають за слабкі взаємодії, зокрема у деяких радіоактивних розпадах. W± і Z0, на відміну від фотонів і глюонів, дуже масивні, що пояснює невеликий радіус дії сил, за які вони відповідають. Відкриття W± та Z0-бозонів у ЦЕРНі 1983 р. позначило вершину впливу Стандартної моделі, яка точно передбачила їхні маси.

У сумі ферміонів, з яких складається матерія, дванадцять. До цього треба додати дванадцять антиферміонів, а щоб зрозуміти всі три головні взаємодії між складниками, потрібні дванадцять бозонів.

У 1960-х роках панувала Стандартна модель складників. Її коріння сягає рівнянь Джеймса Максвелла. А