Игорь Иванов - Удивительный мир внутри атомного ядра

• Название: Удивительный мир внутри атомного ядра
• Автор: Игорь Иванов
• Жанр: Прочая научная литература

---

События не всегда будут такие простые, иногда они будут и сложные. Здесь показано другое столкновение: не протон по протону, а столкновение двух ядер в детекторе ALICE (это тоже моделирование). Представьте: столкнулись два ядра свинца, в них самих уже 400 частиц вместе, да еще куча родилась, и эти тысячи частиц разлетаются в разные стороны из одной точки. Детектор должен не просто посмотреть и сказать: «Ох, сколько частиц!» Он должен измерить все эти траектории, посчитать количество частиц, их энергии, всё это просуммировать вместе и понять, как разлетались эти частицы. То есть в первый самый момент, когда они только столкнулись, как это всё начало двигаться. Всё это требуется, поэтому и создают такую сложную технику.

Мы с вами знаем, что есть два механизма возникновения массы, про которые мы точно знаем, что они существуют. Однако это еще не конец истории, потому что не исключено, что существуют и другие способы порождения массы. То, что мы видим как массивное тело, на самом деле может получать свою массу из совсем разных механизмов.

Этот большой коллайдер даст не только ответы на вопросы, которые мучают физиков уже много лет, потому что теоретики уже и не знают, что выдумывать, потому что слишком много вариантов накопилось, надо, чтобы природа на них ответила. Он также откроет новую дорогу к дальнейшим теориям. Физики поймут, куда надо дальше двигаться и что разрабатывать.

Вопросы после лекции

Вопрос: Вот было сказано о хиггсовском бозоне. Хиггсовское поле... Взаимосвязаны ли... Хиггсовский бозон — он... в чем именно интерес, чтобы...?

Я забыл, действительно, сказать. Значит, смотрите. Хиггсовский бозон — это колебание этого хиггсовского поля, это совсем новый тип частиц. Но его тоже можно проиллюстрировать — вот эта аналогия с водой. Помните, я рассказывал: пенопласт на столе и водичка. Когда вы дуете на эту воду, то не просто вы видите, что сами частички куда-то поплыли, но иногда, особенно если сильно подуете на воду, увидите волны на поверхности воды, которые разбегаются. Так вот, волны — это колебания той среды, которая сдерживает частицы. Понимаете? И их наличие — есть важное доказательство того, что действительно среда какая-то есть. Так вот, бозон Хиггса — это тоже колебание хиггсовского поля. Для того, чтобы его родить, надо столкнуть с большой скоростью, с большой энергией частицы. И вот поэтому его надо открыть. Если его не откроют, то, на самом деле, значит, теория эта вот неверна.

Вопрос: Какая оценка массы бозона Хиггса?

А вот это самая сложная вещь. Потому что, я говорю, разные модели совершенно разное предсказывают. Некоторые вообще ничего не предсказывают. Некоторые что-то предсказывают. Есть экспериментальные ограничения — ну, какие-то, не сильно важно. Проблема в том, что непонятно пока, какая у него масса.

Вопрос: Вы рассказали про хиггсовский механизм возникновения массы. Понятно, почему частицы становятся инертными, но непонятно, почему они должны притягиваться друг к другу, если у них так масса возникает? Ну, в смысле, гравитационно. Гравитация откуда тогда берется ?

Понятно. Значит, смотрите. Давайте так. Хиггсовский механизм с гравитацией непосредственно не связан. Гравитация, если уж совсем аккуратно говорить, происходит не между массами — это в ньютоновском случае она между массами происходит, а в теории относительности, в общей теории относительности, она происходит между объектами, обладающими энергией. Понимаете? Так вот, если у вас есть частица безмассовая, но куда-то она летит, то у нее тоже есть энергия. И, в принципе, она тоже притягивает. Просто когда у частицы есть масса, то ее можно остановить, и тогда из ее энергии останется только масса. Но это частный случай. На самом деле гравитация есть и между безмассовыми частицами. Хиггсовский механизм просто по-другому ее показывает, но гравитация есть и так.

Вопрос: Вы говорили, что нейтрон и протон, особенно протон, состоят из трех кварков, которые генерируют глюонное поле. А как рассчитали количество кварков в нейтроне и протоне и вообще — как можно проверить их существование экспериментально, как можно доказать?

Я сейчас повторю, я в принципе уже говорил, что если бы их не было, если бы всё было заполнено сплошняком, то при столкновении частиц всё разлеталось бы как-то более-менее изотропно. В разные стороны, но примерно одинаково. Эксперименты же показывают, что когда начинаешь сталкивать частицы при больших энергиях, в результате возникают струи, струи очень узконаправленные. Расчеты показывают, что они могут возникать только в той ситуации, когда у вас есть маленькие компактные объекты, которые разлетаются и порождают струи. Их количество тоже связано с экспериментальными данными — это технические вещи, то есть их тоже можно восстановить.

Вопрос: Вы говорили, что протоны отличаются только разным расположением кварков...

Не протоны, а вот есть много собратьев протонов — таких частиц, которые похожи на протоны. И они все в этом ряду отличаются друг от друга не количеством, а только расположением кварков.

...и в то же время вы сказали еще, что есть разные кварки. То есть все-таки от различности кварков тоже зависит?

Да, то есть есть просто кварки, скажем, тяжелые, которые сами по себе тяжелые. Они нестабильны, но они какое-то время живут. И из них тоже можно составить аналог протона. Эти частицы известны, они открыты, вот, это просто более тяжелые частицы — в них другие кварки сидят.

Вопрос: Я хотел бы спросить уже, скорее, не по самой лекции, а вопрос в целом. Какие еще возможны механизмы возникновения массы?

Понятно. Ну, давайте я парочку еще скажу. Во-первых, есть теория суперобъединения, в которой объединяются три известных взаимодействия — слабое, сильное и электромагнитное. Это всё происходит на еще меньших расстояниях, куда современные эксперименты вообще не достигают пока что. В современных теориях, которые пытаются это описывать, тоже есть аналог хиггсовского поля, только он более тяжелый. Так что, наверное, есть частицы, которые приобретают свою массу не за счет вот этого хиггсовского поля которое как бы «наше», которое будут изучать на LHC, а за счет более тяжелого. Ну, наверное, это тот же самый механизм, тем не менее есть такие частицы.

Совсем другой способ — это через теорию суперструн. Вот есть такая модная теория суперструн. Там колебания струн — это никакое не хиггсовское поле, никакая не концентрация энергии — это просто новый механизм порождения массы.

Вообще, я не знаю, как вы представляете себе массу. Может быть, вам это кажется чем-то особенным. На самом деле, если вы уравнение напишете, то это просто какое-то слагаемое дополнительное, которое тут возникает. Это слагаемое выглядит как масса. Мы его называем массой. То есть ничего особо удивительного в том, что масса появляется каким-то способом, нет.

Вопрос: Вы говорили, что при столкновении ядра разлетаются на несколько сот частиц. Они разлетятся на кварки — а еще на что?

Они по-разному разлетаются, в зависимости от энергии. Могут и на много. Но они не разлетятся на кварки. Ситуация там такая. Я уже говорил, что кварк просто так из протона не вытащишь. Если попытаться это сделать, у вас начнет «пухнуть» глюонное поле, и в какой-то момент оно рвется — просто энергетически выгодно так его разорвать. Когда оно рвется, то в месте разрыва рождается (если вы с терминологией немножко знакомы) получается кварк-антикварковая пара. Получается, что из протона пытались отодрать кварк — а отодрался не кварк, а пи-мезон (это частичка, состоящая из кварка и антикварка). Когда эти частицы рождаются реально в процессе, то выглядит это примерно так: сначала первые кварки сталкиваются, они пытаются разлетаться. Когда они отлетают на какое-то расстояние, это облачко рвется, возникает «кварк + антикварк» здесь и «кварк + антикварк» здесь, потом рвется в разных местах. И после того, как всё это порвалось и энергия уже успокоилась (потому что слишком сначала большая энергия была), потом разлетаются уже частицы: пи-мезоны, К-мезоны, разнообразные адроны и так далее.

Вопрос: Вследствие чего, если брать теорию хиггсовского поля, разные частицы обладают разной массой?

А это тоже непонятно. На этот вопрос не отвечается в рамках этой теории. К сожалению, есть вопросы, на которые эта теория не отвечает. Без этой теории у нас известно, что есть разные частицы с разной массой. В этой теории говорится то же самое, только другими словами: эти частицы по-разному цепляются за поле. Но почему они так цепляются, совершенно неизвестно. Физики надеются, что это начнет проясняться после того, как наконец-то откроют этот хиггсовский бозон, потому что там есть много вариантов, и начнут разбираться, собственно, что это за хиггсовское поле, какой конкретно механизм порождает его во всей Вселенной. Но это еще открытый вопрос.