Запропоновано модель квірков - нових елементарних частинок з незвичайною поведінкою • Ігор Іванов • Новини науки на "Елементи" • Фізика, LHC

Запропоновано модель квірков – нових елементарних частинок з незвичайною поведінкою

Мал. 1. Якщо спробувати розділити звичайну кварк-антикваркових пару на дві окремі частинки, то між ними натягується глюонная струна. Якщо струна стає занадто довгою, то вона рветься, і в місці розриву утворюються нові кварк-антикваркових пари. Мал. автора новини

Якщо в природі існує якесь нове силове поле і відчувають його важкі частинки, то в певних ситуаціях вони можуть утворювати макроскопічні силові струни, які можна буде помітити на Великому адронному колайдері (LHC).

Напередодні запуску Великого адронного коллайдера (він вступить в дію в кінці літа 2008 року, але серйозна програма досліджень на ньому почнеться тільки в 2009 році) у фізиці елементарних частинок склалася не зовсім звичайна ситуація. З одного боку, у всіх проведених досі експериментах Стандартна модель працювала виключно добре. Але з іншого боку, фізики чітко розуміють, що вона не може бути остаточною теорією. Обов'язково повинна існувати якась глибша, більш фундаментальна картина будови нашого світу, а Стандартна модель є лише приблизною «проекцією» цієї картини на відомі зараз частки.

Що це буде за більш глибока теорія, фізики поки не знають. За відсутності прямих експериментальних даних допитливому теоретику відкривається багатий простір для конструювання різних «надбудов» над Стандартною моделлю. Яка з них відноситься до реальності, а яка – ні, покаже експеримент, але поки що фізики намагаються «прищепити» найрізноманітніші можливості. Умовно кажучи, фізики хочуть знати всі типи теорій, Які відстоять від Стандартної моделі на один-два логічних кроку, на одне-два припущення.

Одна з таких теорій була побудована в який вийшов недавно препринті arXiv: 0805.4642. Автори цієї статті запропонували модель з новими гіпотетичними частками, названими ними квіркамі (quirks), Які, як з'ясувалося, повинні володіти чудовими властивостями з точки зору експерименту.

слово «quirk»Було вибрано авторами через« гри звуків » про і і. Квіркі за своєю поведінкою схожі на кварки (а по-англійськи слово «quark»Вимовляється як [kwork]), тільки, як буде розказано нижче, замість сильного (strong) Взаємодії вони пов'язані «струнним» (string) Взаємодією.

Ідея авторів цієї роботи проста і базується на двох припущеннях.

1) Нехай в природі існує якась нова сила, Взаємодія нового типу, влаштоване на зразок сильної взаємодії між кварками всередині протона. Говорячи науковою мовою, передбачається, що це якесь нове каліброване взаємодія з непорушеною неабелева симетрією.* Цю силу до сих пір ніхто не помічав просто тому, що відомі нам частинки до неї «байдужі» (приблизно так само, як і нейтрино «байдужі» до електричного і магнітного полів).

2) Нехай існують нові важкі частинки (Це і є квіркі), які цю силу відчувають. Ці частинки мають масу в області 1 ТеВ, так що вони зможуть народжуватися на LHC, але не могли народжуватися в більш ранніх експериментах через недостатню енергії зіткнень.

Взагалі кажучи, ідея ця не нова. Найпершою публікацією, в якій обговорюється можливість нового взаємодії з конфайнментом на макроскопічних відстанях, є, мабуть, стаття Льва Борисовича Окуня «ТЕТОН», опублікована в 1980 році в Листах в ЖЕТФ, т. 31, стор. 156. Однак в ній були накидані лише найзагальніші риси такої моделі, в той час як в обговорюваній тут роботі (яка належним чином посилається на статтю Л. Б.Окуня) детально розібрана динаміка цієї моделі і можливі її прояви в експерименті.

Виникає питання: як такі квіркі будуть проявляти себе на LHC? Виявляється, вони будуть залишати абсолютно незвичайні сліди в детекторі, і саме перерахуванню виникають тут можливостей присвячено окрему статтю.

Але перш ніж братися за квіркі, буде корисно нагадати, як поводяться самі звичайні кварки, що сидять усередині протона. Кварки притягуються один до одного за рахунок сильної взаємодії, яке забезпечує глюонної поле. Це глюонної поле володіє багатьма незвичайними властивостями, і саме чудове з них – конфайнмент ( «Полон кварків»).

Конфайнмент – це явище, яке не дозволяє одному кварку вирватися з оточення своїх побратимів і існувати самостійно. Як тільки якась сила почне витягати один кварк з протона (або розтягувати кварк-антикваркових пару, як це показано на рис. 1), то глюонної поле перебудовується у вигляді силовий струни, яка в буквальному сенсі натягується між кварками. (Обережно: описувані тут глюонів струни не слід плутати з суперструн або з космічними струнами!) Якщо сила, що розтягує кварки, невелика, то струна пересилює її і повертає кварки на місце.Якщо ж сила, що розтягує велика, то глюонная струна стає нестійкою і рветься, причому на місці розриву народжуються нові кварк-антикваркових пари. Ці кварки швидко групуються в мезони, а мезони вже можуть віддалитися один від одного на будь-яку відстань.

Мал. 2. Поведінка гіпотетичної квірк-антіквірковой пари при їх поділі. Між ними теж натягується силова струна, але тільки вона не може порватися, тому що квіркі занадто важкі. В результаті струна може вирости до макроскопічних розмірів. Мал. автора новини

Ключовий момент: маса звичайних кварків маленька, тому навіть несильно розтягнута струна має достатню енергію для народження кварк-антикваркових пар. Саме тому глюонная струна не може стати занадто довгою – їй енергетично вигідніше розірватися на кілька частин, ніж далеко тягнутися від одного кварка до іншого.

Тепер звернемося до нових гіпотетичним частинкам – квіркам. Для них багато з описаного вище теж справедливо. У нового взаємодії теж зобов'язаний бути конфайнмент (це випливає з неабелева теорії), і якщо в якомусь жорсткому процесі народилися і стали розлітатися квірк з антіквірком, то між ними теж натягується силова струна – правда, не глюонная, а складається з нового силового поля .

І тут виникає важлива відмінність від кварків: через велику масу квірков струна не може розірватися (Див. Рис. 2). Розрив струни міг би відбутися тільки з утворенням квірк-антіквірковой пари, але для її утворення потрібно запасти дуже велику енергію в дуже маленькому обсязі. А струна зі слабким натягом, нехай навіть і дуже довга, цього зробити не може.

З точки зору експерименту виникає ряд дуже цікавих можливостей, які залежать від сили натягу струни (це вільний параметр теорії, який ми заздалегідь не знаємо, тому вільні аналізувати різні випадки).

Мал. 3. Слід від квірк-антіквірковой пари (показана червоним кольором) В детекторі. синім показані звичайні частинки, також народжуються в жорсткій сутичці. Мал. з обговорюваної статті arXiv: 0805.4642

Якщо натяг струни дуже слабке, то вона може розтягнутися до макроскопічної довжини. Вийде вражаючий об'єкт – дві важкі стабільні елементарні частинки, пов'язані неразрушимой силовий ниткою довжиною в сантиметри, метри, кілометри! Звичайна матерія цю силову нитка зовсім не відчуває, і її присутність можна помітити в детекторі лише по тому, як квірк і антіквірк крутяться навколо одна одної. На рис.3 показані типові траєкторії цих частинок в детекторі для силової струни довжиною в метри або сантиметри.

Якщо ж натяг струни помірно сильне (але все одно не настільки сильне, щоб розірватися), то її розміри будуть мезоскопические – то є багато більше розмірів самих частинок, але багато менше просторового дозволу детекторів (наприклад, порядку мікрона). Тоді квірк-антіквірковая пара буде виглядати в детекторі як одна стабільна частка, проте її маса буде сильно мінятися від випадку до випадку.

Такого типу частки фізикам ще ніколи не зустрічалися в експерименті (хоча щось схоже – так звані нечастіци – вже пропонувалося теоретиками рік тому). Автори роботи підкреслюють, що методи обробки даних, які передбачається використовувати на LHC, «не налаштовані» на такі можливості і цілком можуть «прогавити» настільки незвичайні об'єкти.

На закінчення варто підкреслити, що більшості фізиків ця та інші подібні теорії, звичайно, здаються дуже екзотичними і малоймовірними. Однак в їх розробці є певна користь: вони допомагають усвідомити, в які сторони в принципі дозволено рухатися теоретикам і які наслідки їх чекають. Досвід, накопичений при вивченні таких дивовижних теоретичних конструкцій, може виявитися корисним при побудові тієї глибинної фізичної картини світу, яка прийде на зміну Стандартної моделі.

джерело: Junhai Kang, Markus A. Luty. Macroscopic Strings and «Quirks» at Colliders // препринт arXiv: 0805.4642 (29 May 2008).

Ігор Іванов


* Невелике пояснення про неабелева калібрувальні теорії. Взаємодії частинок тісно пов'язані з поняттям симетрії. Електромагнітне, сильна і слабка взаємодія не постулюється окремо від частинок, а як би самі собою виникають з вимоги симетричності теорії щодо внутрішніх перетворень (тобто змін, не пов'язаних з переміщенням в реальному просторі). Взаємодії, які виникають таким чином, називаються калібрувальними. Мовою математики симетрії описуються за допомогою груп перетворень (див. Теорія груп – наука про досконалість). Є два великі класи груп – абелеві і неабелева. У абелевих групах результат двох послідовних перетворень не залежить від того, в якому порядку вони виконуються, а в неабелевих – залежить.Іншими словами, в неабелева групі різні перетворення «заважають» один одному.
Як наслідок, якщо теорія взаємодій заснована на неабелева калібрувальної групи, то різні кванти силових полів будуть «заважати» один одному, взаємодіяти один з одним. Неабелева силове поле притягує один до одного не тільки частинки речовини, але і різні частини самого поля. Умовно можна це уявити так, немов силові лінії поля притягуються один до одного. Саме це тяжіння між силовими лініями сильного взаємодії і змушує їх стискуватися в струну, коли відстань між кварками стає великим.
Все це відбувається, коли симетрія «актуальна», непорушення; така ситуація має місце, наприклад, в теорії сильних взаємодій. Але симетрія може порушитися за рахунок якогось механізму (наприклад, електрослабкої симетрії порушена за рахунок хіггсовского механізму). Доведено, що, коли калібрувальна симетрія порушується, силове поле вже не може сягати занадто далеко, і у нього пропадає здатність утворювати силові струни. Щоб такого не відбувалося, в квірковой моделі постулюється, що симетрія не порушена.


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: