Вселенная. Руководство по эксплуатации - Дэйв Голдберг

Электрический заряд не создается и не уничтожается.

Как можно ожидать, действие в нашей универсальной игре не сводится к тому, чтобы перетаскивать протоны и электроны с места на место, все время сохраняя заряд. Посмотрим, к примеру, на нейтрон. Нейтрон — это что-то вроде пациента в коридоре у кабинета врача: прождав минут десять, нейтрон взрывается. Разница в том, что вместо того, чтобы накричать на регистраторшу, нейтрон буквально разлетается на разные другие частицы.

Самая крупная из этих частиц — протон. Возможно, вас это удивит, поскольку мы говорили вам, что электрический заряд сохраняется, но задумайтесь вот над чем: в этом нет ничего страшного, если найдется другая частица с отрицательным зарядом, чтобы уравновесить положительный заряд протона. Что-то вроде электрона. Точнее, сам электрон.

В результате нейтронного распада образуется кое-что еще, но мы хотим сделать два предупреждения: 1) как бы ни казалось на первый взгляд, нейтрон не состоит из протона, электрона и кое-чего еще, — он в них превращается; 2) кстати, протоны и нейтроны кое из чего состоят, просто мы еще не сказали из чего.

Скоро мы поговорим и о других фундаментальных частицах, но боимся, как бы вы еще раньше не заблудились в «зоопарке частиц». Мы не собираемся заставлять вас зубрить большой каталог фундаментальных частиц по той простой причине, что их (по меньшей мере) 18, не считая диких разновидностей одной и той же частицы, которые на самом деле с фундаментальной точки зрения не отличаются друг от друга. Из предупредительности к вам, читатель, мы поместили в конце главы удобное приложение, где перечислен весь «зоопарк» с указанием всего, что вам имеет смысл знать о каждой частице. Не за что, не за что, не стоит благодарности.

Теперь вы знаете о том, из чего состоит материя, примерно столько же, сколько знал каждый лет сто назад, но мы собираемся копнуть чуть глубже, чтобы разобраться, что происходит на самых глубоких уровнях. Вот почему мы собираемся выбить из этих частиц все, что можно, — а для этого нам нужен БАК. Мы надеемся, что протоны — это такие свиньи-копилки или иностранные шпионы: если стукнуть их посильнее, получится кое-что интересненькое[63].

Кольцо коллайдера — это гоночная трасса для протонов, и два протонных луча будут лететь навстречу друг другу со скоростью, близкой к скорости света. Как мы видели в главе 1, чтобы заставить частицы двигаться настолько быстро, нужна прорва энергии. Опустим вычисления — скажем только, что энергии, необходимой, чтобы разогнать два протона до такой скорости, чтобы они распались, хватит, и на то, чтобы по закону Е = mc2 создать 14 тысяч протонов с нуля. Когда два протона сталкиваются, происходит много разных событий, но все они подчиняются второму из наших основных законов:

энергия не создается и не уничтожается.

Зато ее можно конвертировать из движения в массу, и именно это мы и собираемся делать в коллайдерах частиц.

II. Как открывают субатомные частицы?

Если столкнуть друг с другом энергичные протоны, получатся частицы, куда более массивные, чем исходные. Но если частицы, которые создаются в ускорителях, так массивны, зачем вообще нужны ускорители? Наверное, великанские частицы легко заметить и так?

И да и нет. Конечно, если бы в пространстве там и сям плавали массивные частицы, их можно было бы собирать и исследовать безо всякого труда. Беда в том, что все во Вселенной стремится сбросить энергию до минимально возможной. Положите на стол мяч для боулинга — в этой позиции у него будет довольно много энергии — и легонечко подтолкните его. Он упадет со стола к вам на ногу — где энергии у него будет гораздо меньше. Поскольку энергия и масса эквивалентны, это означает, что массивная частица распадется, если это вообще возможно, на менее массивную и еще что-нибудь — и очень скоро, в чем мы убедились, когда говорили о радиоактивности в главе 3.

Самые массивные частицы живут всего миллионную долю секунды или даже меньше, а потом распадаются на более легкие, и так будет продолжаться предположительно 13,7 миллиарда лет — с начала времен и до тех пор, когда все массивные частицы раз и навсегда распадутся. Должно быть, вы предполагаете, что тогда все уляжется и останутся только наши старые знакомые протоны и нейтроны, но вы же уже поняли, что бывает, когда вы что-то предполагаете, правда?

По Вселенной так и шныряют высокоэнергичные заряженные частицы. Протоны на высоких скоростях испускает и Солнце, и другие звезды в разных частях галактики, и сверхновые, — все места, где есть высокоэнергичные источники. Эти заряженные частицы, которые называются космическими лучами, летают туда-сюда, пока на что-нибудь не наткнутся. Если бы не магнитное поле, окружающее нашу планету, этим «чем-нибудь» могли бы быть ваши клетки — и тогда космические лучи убили бы вас или стерилизовали. Вот почему нужно слушаться мамочку и не проводить в открытом космосе слишком много времени. Достаточно часто космические лучи попадают в атмосферу и сталкиваются с кислородом или азотом, превращаясь в процессе в более массивные частицы. Стратосфера и все, что выше, кишат, словно нечищеные зубы, всякой дрянью — мюонами, каонами и пионами.

Эти частицы рождаются и умирают в мгновение ока[64], поэтому создать их и измерить можно только, и исключительно внутри ускорителя.

Если мы столкнем частицы друг с другом при достаточно высокой энергии, а затем сошлемся на закон Е = mc2… вуаля! Массивные частицы у нас в кармане. Если мы будем получать их в ускорителях, то нам будет проще предсказывать, когда они появляются, а значит, легче и изучать их.

Однако пионы и мюоны — не единственные массивные частицы, которые страдают от дегенеративных тенденций. Как мы уже упоминали, распаду подвержен даже нейтрон (эта черта отличает его от протона)[65].

Если вы дадите нейтрону около 10 минут, он распадется на протон, электрон (а значит, сохранится общий заряд) и еще одну частицу, о которой мы вам раньше не говорили, — она называется антинейтрино.

Только не пугайтесь — мы сейчас вам все объясним, и про «анти», и про «нейтрино». Начнем с «нейтрино». Это название выбрано потому, что нейтрино электрически нейтральны, а прямо их не увидеть. Откуда же мы узнали «что они есть, если они, в сущности, невидимы? Хороший вопрос.

В 1930 году Вольфганг Паули предложил новаторскую интерпретацию экспериментов с распадом нейтрона. Было замечено, что когда нейтрон распадается, протон и электрон часто отлетают в одном и том же направлении. Интерпретацию распада нейтрона по Паули, как и многие явления в жизни, легче представить себе, если привлечь к делу супергероев.

Представьте себе, как Сью Шторм, она же Невидимая Леди, и ее муж мистер Фантастик[66]катаются на коньках по замерзшему пруду.

Они отталкиваются друг от друга, и мистер Фантастик стремительно отъезжает в одну сторону, а Сью, как всегда невидимая, — в другую. С берега за ними наблюдает Существо, которое видит только мистера Фантастика, который мчится задом наперед, — с его точки зрения, безо всякой причины. Но Существо довольно быстро понимает, что к чему. Он уверен, что на льду есть еще кто-то — кто-то невидимый — и что этот второй сейчас мчится в противоположном направлении.

Паули, сыгравший роль Существа, заключил, что должна существовать невидимая частица-призрак, электрически нейтральная: антинейтрино.

Нейтрино (а следовательно, и антинейтрино) очень легкие, и довольно долго считалось, что они полностью лишены массы. Однако в 1998 году на японском нейтринном детекторе «Супер-Камиоканде» был проведен эксперимент, показавший, что у нейтрино на самом деле есть некоторая масса. Это выдающееся достижение, но следует также отметить, что пока что ученые еще не вычислили массу нейтрино. К этому вопросу мы еще вернемся в главе 9, а пока вправе уверенно сказать, что масса нейтрино во много раз меньше массы электрона.

Что же касается «анти», постарайтесь не пугаться этого слова. «Анти» означает всего-навсего «наоборот» — античастица имеет квантовые числа, прямо противоположные частице-партнеру. Антиматерия — вещество со скверной репутацией: всем известно, что если комок антиматерии соприкоснется с обычной материей, они взорвутся и превратят всю свою массу в энергию. Сами по себе античастицы безобидны. Если бы мы вдруг взяли сразу все частицы во Вселенной и заменили их античастицами (в том числе и те, из которых состоите вы), вы бы не заметили разницы.

III. Зачем разным частицам так много разных правил?

Сейчас, когда мы установили несколько основных законов, общих для всех фундаментальных сил, настала пора поговорить об играх, начиная с самых простых и очевидных.