Стандартная модель: как ищут новые элементарные частицы

      Комментарии к записи Стандартная модель: как ищут новые элементарные частицы отключены

Стандартная модель: как ищут новые элементарные частицы

Когда-то электрические и магнитные явления вычисляли совсем различными и не связывали между собой. В действительности, что неспециализированного у искры, проскакивающей между носом кошки и вашей рукой, и поведением стрелки компаса? Но со временем начали накапливаться информацию о том, что электрические и магнитные явления «ходят парой». Неспешно пришло познание, что это две стороны одной медали.

В теории электромагнетизма, созданной Джеймсом Максвеллом в середине XIX века, магнетизм и электричество соединялись в одной группе элегантных уравнений.

Однако имеется и в полной мере очевидная отличие. Мы знаем, что существуют заряды двух знаков — их возможно легко отделить друг от друга. А вот магнитных зарядов никому найти пока не удалось: в случае если мы распилим магнит пополам, то возьмём не два полюса, а два полноценных магнита.

Поле магнита создается молекулярными токами, другими словами связано с перемещением зарядов. Исходя из этого полюса магнита нельзя разделить — они являются не независимые сущности, а только два финиша так именуемого магнитного диполя (практически — двухполюсника). Существуют и электрические диполи — такова, к примеру, молекула воды, потому, что электронное облако молекулы смещено от ее центра.

Не смотря на то, что в целом она нейтральна, ионизацией возможно поделить ее на электрон и положительно заряженный ион.

Отдельный северный либо южный магнитный полюс и был бы магнитным зарядом (либо их скоплением), но поделить их никому пока не удалось. Узнаваемые магнитные поля (не только у постоянных магнитов, но, к примеру, у Солнца и Земли, у других планет и звезд) порождаются не магнитными зарядами, а электрическими токами. Но в случае если магнитных зарядов нет, то нет и полной симметрии между магнетизмом и электричеством?

Неосуществимая частица

Первые идеи о существовании магнитных зарядов показались довольно давно. Несимметрия уравнений Максвелла довольно магнитных и электрических явлений в полной мере очевидна, причем симметрию возможно легко вернуть, введя в дополнение к замечаемым токам и электрическим зарядам гипотетические магнитные токи и магнитные заряды. В первый раз о таковой возможности упомянул в одной из собственных заметок в первой половине 90-ых годов XIX века Пьер Кюри, но, потому, что токи и такие заряды никто и ни при каких обстоятельствах не замечал, этим дело и ограничилось.

Для выхода догадки на новый уровень пригодилось создание квантовой механики. В первой половине 30-ых годов двадцатого века Поль Дирак, исследуя симметрию между магнетизмом и электричеством, продемонстрировал, что введение магнитных зарядов разрешает элегантно решить давешнюю тайную природы — квантование заряда.

Оказалось, что в случае если во Вселенной существует хотя бы один магнитный заряд, все заряды обязаны быть кратными элементарному электрическому заряду (магнитные заряды наряду с этим также обязаны квантоваться). Позднее, уже в первой половине 70-ых годов XX века, Герард ‘т Хоофт и Александр Поляков продемонстрировали, что и в более идеальных теориях Великого объединения, в которых различные сотрудничества описываются в рамках единого подхода, кроме этого должны существовать магнитные монополи, появляющиеся как топологические недостатки хиггсова поля. И их начали деятельно искать.

Под покровом тайны

Про монополи известно мало. Правильнее, различные теории делают весьма различные предсказания, а также в рамках одного подхода свойства монополей смогут очень сильно различаться. В теориях Великого объединения появляются весьма массивные монополи — в 1016 раз массивнее протона, другими словами массой приблизительно с бактерию.

Создание таких частиц требует огромных энергий, и они имели возможность оказаться лишь в первые мгновения судьбы отечественной Вселенной. Но позже они имели возможность сохраниться до наших дней, и мы можем сохранять надежду зарегистрировать для того чтобы инопланетянин . Другие модели предвещают, что монополи смогут быть всего лишь раз в сто тяжелее протона.

Тогда имеется надежда взять их в опытах на ускорителях.

Хороший монополь Дирака не имеет заряда (как, скажем, электрон не имеет магнитного). Но в некоторых моделях монополи вдобавок к магнитному имеют еще и заряд. Такие частицы, дионы, придумал американский физик Джулиан Швингер. Это экзотика, но их также ищут.

Быть может, у простых частиц имеется магнитный заряд, но весьма мелкий? Это предположение также проверялось, и, к примеру, у электрона не распознано никаких следов магнитного заряда с точностью 24 символа по окончании запятой.

монополи и Электромагнитная индукция

За сто лет до предсказания монополя Дираком второй ученый, Майкл Фарадей, нашёл явление электромагнитной индукции: изменяющееся магнитное поле формирует в цепи электрический ток. Это явление и лежит в базе занимательного метода поиска монополей.

В то время, когда через сверхпроводящее кольцо пролетает монополь, несущий дираковский магнитный заряд, ток в кольце изменяется так, дабы магнитный поток через кольцо изменился ровно на два кванта магнитного потока (эта величина также квантуется), причем ни скорость, ни масса частицы значения не имеют. Как раз так в течение продолжительного времени научные группы искали монополи.

В первом же из таких опытов, набиравшем данные в течение пяти месяцев, случился скачок тока, весьма похожий на искомое событие пролета монополя через катушку. Данный случай, названный «событие Кабреры» (по фамилии увидевшего его экспериментатора), случился в два часа дня 14 февраля 1982 года. Он так и не был растолкован. Более поздние и намного более чувствительные опыты ничего аналогичного не нашли, если не считать еще одного случая в Лондоне в 1985 году.

В экспериментальной физике единичное наблюдение не дает права заявить об открытии. Только многократные подтверждения результата, нужно в различных лабораториях, разрешили бы сказать о доказательном обнаружении искомой частицы. на данный момент считается, что оба таинственных события были позваны какими-то неучтенными внешними действиями на детектор.

GUT-монополи

GUT-монополь — это реликт, в оболочках которого, как в слоях отложений, «законсервированы» этапы формирования весьма ранней Вселенной

Монополи, предвещаемые моделями Великого объединения (так именуемые GUT-монополи, от Great Unification Theory), имеют «луковичную» структуру: в самых внутренних частях царит то самое объединенное сотрудничество, которое снаружи, в привычном нам мире, расщепляется на электромагнитное, не сильный и сильное сотрудничества, весьма непохожие друг на друга. Объединенное сотрудничество владеет интересным свойством: оно не сохраняет по отдельности ни барионное, ни лептонное число — те в большинстве случаев сохраняющиеся размеры, каковые важны за стабильность электрона и протона, соответственно, и всего окружающего нас вещества.

Распад протона ни при каких обстоятельствах еще не наблюдался экспериментально, не обращая внимания на интенсивные поиски. Но маленькая сердцевина GUT-монополя смертоносна для протонов — она, не смотря на то, что сама по размерам во столько же раз меньше протона, во какое количество протон меньше дыни, способна вынудить его мгновенно распасться на позитрон и пи-мезон, причем сам монополь от этого никак не страдает и может тут же заняться следующей «жертвой». Это предсказанное, но, как и сам GUT-монополь, пока никем не наблюдавшееся явление именуют механизмом Каллана-Рубакова, либо катализом протонного распада, по аналогии с химическим катализом, в то время, когда вещество-катализатор инициирует реакцию, но само не расходуется.

Распад протона

Протон, которому несчастливая будущее уготовала встречу с GUT-монополем, оставляет в окружающей среде приблизительно столько же энергии, сколько пять делений ядер урана. Представим, что GUT-монополь попадает в недра астрономического объекта — нейтронной звезды, коричневого карлика, планеты-гиганта — и принимается уничтожать, как хорек в курятнике, попавшиеся ему на пути протоны (и с равным успехом нейтроны).

Выделившаяся энергия будет нагревать окружающее его вещество и в конечном итоге достигнет поверхности светила. В случае если монополей в объекта достаточно большое количество, то дополнительный нагрев, не укладывающийся в простую модель, возможно будет подметить. И напротив, отсутствие для того чтобы нагрева разрешает установить определенное ограничение сверху на количество GUT-монополей в объекта и по большому счету во Вселенной.

Один монополь на шесть соток

В отечественной Галактике имеется широкомасштабные магнитные поля. Они в много тысяч раз не сильный земного поля, но их характерные размеры достигают тысяч световых лет. Магнитный заряд, влетевший в такое поле, будет забирать у него энергию, разгоняясь до громадных скоростей.

При самых тяжелых монополей перемещение определяется по большей части гравитацией, и их скорость будет равна примерно одной тысячной скорости света (как и у Солнца и других тяжелых объектов, вольно движущихся в гравитационном поле Галактики), но более легкие частицы магнитное поле способно разогнать практически до скорости света. В случае если монополей большое количество, они просто «съедят» магнитное поле Галактики. Совершенно верно так же обилие электрически заряженных частиц (электронов, протонов, ионов) в межзвездной среде не разрешает показаться в ней какое количество-нибудь значительному электрическому полю.

Но в действительности мы видим, что магнитное поле отечественной Галактики значительно не нарушено. Значит, за время возобновления галактического поля (порядка 100 млн лет) монополи не успевают отобрать у него большое количество энергии. Существование галактического магнитного поля разрешает поставить верхнее ограничение на общее число таких частиц; это ограничение именуется пределом Паркера.

Оно примерно соответствует такому потоку частиц: на обычный дачный участок в шесть соток за год из космоса в среднем может упасть не более одного монополя. Подобные оценки, в которых употребляются параметры межгалактических полей, значительно более не сильный, чем внутригалактические, дают еще более твёрдые ограничения. Но они менее правильны, потому, что эти поля не хватает изучены.

В космосе и на Земле

Магнитный заряд (как и электрический) обязан сберигаться. Это указывает, что кроме того в случае если тяжелые монополи смогут распадаться на более легкие, то самым легким деваться некуда — они будут стабильными частицами. Соответственно, раз создав монополи, их запрещено совсем стереть с лица земли (возможно только аннигилировать «северный» монополь с «южным»). Исходя из этого, в случае если когда-то и где-то они появились, то они фактически вечны, и их возможно искать на космических просторах.

Тяжелые монополи, предсказанные теориями Великого объединения, имели возможность рождаться в ранней Вселенной. Дожив до наших дней, они должны бороздить просторы космоса, в том числе и в отечественной Галактике.

Астрономические наблюдения оказывают помощь установить пределы на количество монополей во Вселенной. Во-первых, возможно применять космологические информацию о количестве чёрной материи во Вселенной. Предположение, что вся чёрная материя представлена монополями (не смотря на то, что они — далеко не лучший кандидат на эту роль в «зоопарке» гипотетических частиц), позволяет взять верхний предел на количество этих частиц.

Но кроме того такая несложная оценка уже оказывается нужной.

Монополи смогут входить и в состав космических лучей. Если они в том месте имеется, то искать их возможно, исследуя в лаборатории лунный грунт либо образцы вещества метеоритов, каковые миллиарды лет подвергались бомбардировке космическими лучами. Увлекательный, не смотря на то, что и имеющий последовательность ограничений способ был основан на изучении древних минералов, в которых за прошедшие геологические эры монополи должны были бы покинуть собственные следы.

Кое-какие ядра атомов владеют магнитным моментом, другими словами являются миниатюрный магнитный диполь. Среди них обширно распространенные в земной коре ядра алюминия-27. Вольный магнитный диполь постоянно втягивается в более сильное магнитное поле, так что пролетающий мимо по своим делам монополь рискует обзавестись спутником.

Ядро алюминия, протащенное монополем через кристаллическую решетку минерала, покинет за собой след тяжелых разрушений, что при соответствующей обработке кристалла возможно распознан.

Поток монополей очень мелок, но экспозиция в этом потоке длительностью в много миллионов лет, которой могут похвалиться кое-какие слюды, должна была бы дать трек чуть ли не в каждом кубическом миллиметре кристалла. Ограничение, полученное применением этого способа, раз в сто строже предела Паркера, но для его обоснования нужны кое-какие дополнительные догадки.

Под почвой, под водой, подо льдом

Движущийся магнитный заряд наводит около себя круговое электрическое поле, взаимодействующее с окружающими электрическими зарядами. В частности, оно может срывать электроны со собственных орбит в атомах. Значит, для детектирования монополей возможно применять всю группу ионизационных способов, созданных для детектирования электрически заряженных частиц, — газовые, сцинтилляционные, полупроводниковые, искровые, способы травления треков.

Монополи Дирака владеют громадным зарядом, исходя из этого вызывают весьма высокую ионизацию в веществе, причем, в отличие от электрически заряженных частиц, ионизация вещества монополями практически не зависит от скорости в широком диапазоне энергий. Не считая ионизации электрическим полем, магнитный монополь способен позвать в атомах своеобразный магнитный эффект ионизации (эффект Дрелла), не наблюдающийся для электрически заряженных частиц.

Один из самые чувствительных опытов, направленных на поиск тяжелых магнитных монополей в космических лучах, применял сходу пара способов детектирования, что разрешило снизить фон от паразитных событий. Опыт MACRO (Monopole And Cosmic Ray Observatory) трудился в течение последовательности лет в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии, защищенной от космических лучей слоем горных пород толщиной 1400 м. Для поиска редких событий и частиц необходимы огромные количества вещества — размеры детектора составляли 77? х?12?х?9 м.

Ионизирующие частицы, пролетающие через детектор, создают вспышки в слоях жидкого сцинтиллятора — вещества, талантливого превращать ионизационный сигнал в свет, что планирует и анализируется соответствующей электроникой. Помимо этого, между слоями находятся газовые стримерные детекторы, разрешающие отделить стремительные частицы (по большей части остаточные космические мюоны, сумевшие пробиться через гору) от медленных (искомых монополей).

И наконец, в опыте употреблялись ядерные трековые детекторы — слои особого пластика, что меняет собственные химические особенности при прохождении через него высокоионизирующей частицы. Последующее травление пластика проявляющим раствором разрушает его в области, где выделилась энергия, совершает видимым трек частицы — ее путь через пластик.

Различие в ионизационных особенностях обычных частиц и монополей разрешает очень сильно подавить фон, отбрасывая события, непохожие на ожидаемые. Целый долгий опыт не распознал ни одного события, в котором возможно было бы заподозрить прохождение через установку монополя. Но отсутствие таких событий разрешило установить экспериментальную верхнюю границу на поток космических монополей в Галактике.

Громадный заряд монополей разрешает искать их по черенковскому излучению — свету, испускаемому частицей в прозрачной среде (в воде, льде и т.?п.), в то время, когда скорость частицы выше скорости света в данной среде. Релятивистский монополь испускает практически в 7000 раза больше черенковского света, чем движущаяся с той же скоростью простая электрически заряженная частица.

Такие события искали посредством нейтринного телескопа NT200 (складывающегося из фотоумножителей, загружённых под лед Байкала) и в опыте AMANDA, трудившемся в антарктическом льду на Южном полюсе. Итог — нулевой.

монополи и Инфляция

Одна из серьёзных составляющих современных космологических сценариев — так называемая инфляционная модель. Ее главная мысль пребывает в том, что на самых ранних стадиях отечественная Вселенная испытала период стремительного раздувания (инфляции). Одной из обстоятельств для этого сценария была неприятность монополей.

Дело в том, что ранняя Вселенная была столь горячей, что в ней легко имели возможность появляться весьма массивные частицы, среди них и монополи. Если не принимать дополнительных догадок, то их было бы довольно много около нас, не меньше, чем атомов золота. Но к началу 1980-х годов из опытов уже было ясно, что монополи весьма редки, и нужно было придумать какой-то механизм, приводящий фактически к полному исчезновению таких реликтовых частиц. Мысль очень несложна.

Дабы сделать плотность частиц маленькой, нужно при сохраняющемся количестве частиц быстро расширить занимаемый ими количество. Инфляция для этого идеально подходит! Оставалось лишь выбрать параметры так, дабы монополи рождались до окончания расширения Вселенной.

Так, тайная монополей оказывается связанной с теорией Громадного взрыва.

В лаборатории

Масса монополя Дирака не может быть менее 60 ГэВ. Такие энергии достижимы на современных коллайдерах. Значит, монополи с этими весами смогут в них рождаться, а позже застревать в железных подробностях ускорителей либо мишеней. Исходя из этого возможно те подробности, каковые сами по себе не являются магнитными, и протаскивать их через кольцо-детектор. В случае если в кусочке застрял монополь, кольцо среагирует на него.

Так искали монополи в опыте Е882 в «Фермилабе», а также в проекте HERA. Искали монополи и на БАК в опыте ATLAS.

Но возможно поступить занимательнее — замечательным магнитом выдирать застрявшие монополи. Вылетев из куска металла, они устремятся в том направлении, куда их направило магнитное поле. Экспериментаторам остается лишь зарегистрировать эти частицы.

Метод красив, но пока итог нулевой.

Статья «Половинка от магнита» размещена в издании «Популярная механика» (№148, февраль 2015).

Стандартная модель в физике элементарных частиц


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: