В Национальной лаборатории ускорителей имени Ферми выполнены очень трудоемкие эксперименты, которые позволили с беспрецедентной точностью измерить массу заряженных промежуточных векторных бозонов. Эта информация впервые была обнародована 8 марта на состоявшейся в Италии международной встрече специалистов по физике элементарных частиц. Она также содержится в сообщении для прессы, которое «Фермилаб» выпустил 11 марта.
Промежуточные векторные бозоны переносят слабые взаимодействия между элементарными частицами, которые, в частности, несут ответственность за бета-распад атомных ядер. Они либо электрически нейтральны, либо несут по одной элементарной единице положительного или отрицательного электрического заряда. Нейтральные частицы этого типа обозначаются латинской буквой Z, а заряженные – буквой W (точнее, в соответствии с их знаком, W+ и W-).
Промежуточные векторные бозоны даже по меркам микромира живут очень недолго. Каждая такая частица распадается менее чем за одну триллионную часть триллионной доли секунды после своего рождения. Тем не менее, за это ничтожное время они успевают сделать очень многое. Возьмем, например, классический бета-распад, открытый в 1899 году великим английским физиком Эрнестом Резерфордом. Ядро, которое претерпевает такое превращение, увеличивает свой заряд на единицу, давая начало следующему элементу Периодической системы (например, радиоактивный углерод-14 таким образом переходит в стабильный азот). Это происходит из-за того, что один из нейтронов исходного ядра превращается в протон и одновременно испускает электрон и электронное антинейтрино (поэтому такой тип бета-распада называется электронным).
Однако эта картина бета-распада отнюдь не полна. Вспомним, что и нейтроны, и протоны состоят из кварков. Нейтрон – это композиция двух отрицательно заряженных d-кварков, каждый из которых несет по одной трети элементарного электрического заряда, и одного положительного u-кварка, несущего две трети элементарного заряда (поэтому суммарный заряд всех трех кварков равен нулю). В ходе бета-распада один из d-кварков превращается в u-кварк и отрицательный векторный бозон W-, который тут же распадается на электрон и антинейтрино. Обе эти частицы покидают ядро, оставляя за собой комбинацию из одного d-кварка и пары u-кварков – а это и есть протон.
Именно эту реакцию физики из «Фермилаба» и использовали для уточнения массы W бозонов. Они работали на 5500-тонном детекторном комплексе DZero, которым оснащен находящийся в Ферилабе исполинский ускоритель протонов и антипротонов Тэватрон. Анализируя распады отрицательных векторных бозонов на электроны и антинейтрино, ученые определили их массу с точностью до одной двадцатой процента. По последним данным, масса W- равна 80,401 миллиардов электронвольт с возможной ошибкой в ту или сторону в 44 миллиона электронвольт. Положительный векторный бозон W+ является античастицей своего отрицательного собрата W- и потому обязан иметь в точности ту же самую массу. Стоит отметить, что нейтральные Z бозоны почти на 15% тяжелее.
Новое измерение массы W бозона поможет в охоте на все еще неуловимый бозон Хиггса. Об этой частице стоит поговорить отдельно. Согласно общепринятой модели элементарных частиц, переносчики слабого взаимодействия, W и Z бозоны, тесно связаны с фотонами, носителями электромагнитных сил. Однако промежуточные векторные бозоны по меркам микромира имеют огромную массу (так, W бозон примерно в 85 раз тяжелее атома водорода), в то время как масса покоя фотона равна нулю. Это противоречие, естественно, требует объяснения.
Большинство физиков полагает, что за различие в массах фотонов и векторных бозонов отвечает так называемый механизм Хиггса, который был теоретически описан 45 лет назад. Он постулирует существование особого скалярного поля, пронизывающего все пространство и в чем-то напоминающего эфир, столь любимый физиками 19 веке. Все частицы за исключением фотонов и гравитонов приобретают массу просто потому, что это поле сопротивляется их движению. Согласно этой модели, то, что мы считаем массой – просто результат трения частиц о хиггсовское поле. Его кванты должны проявлять себя в виде сильно нестабильной частицы, хиггсовского бозона. Вычисления показывают, что его масса, по всей видимости, лежит в диапазоне 115-190 миллиардов электронвольт.
Механизм Хиггса – это пока только теоретическая модель, хотя и очень убедительная. Чтобы длоказать его реальность, надо обнаружить хиггсовский бозон, который известный американский физики Леон Ледерман когда-то окрестил «божественной частицей». Экспериментаторы пытаются это сделать много лет, но пока безуспешно. Для облегчения поисков ученые стараются как можно надежней оценить массу хиггсовского бозона, которая пока вычисляется с большим разбросом. А ее значение сильно зависит от массы W бозона. Именно поэтому любое уточнение массы W бозона имеет шансы приблизить открытие заветной «божественной частицы». Так что игра, несомненно, стоит свеч.
