Последний кирпичик Стандартной Модели

Похоже, что физика элементарных частиц после десятилетнего периода "умиротворения" вновь вступила в эпоху больших открытий. Именно в этом ключе стоит рассматривать недавнее заявление международного эксперимента DONUT (Direct Observation of the Nu Tau) об обнаружении тау-нейтрино в лаборатории Ферми (США).

Тау-нейтрино была последней в списке необнаруженных частиц, которые согласно знаменитой Стандартной Модели (Standard Model) являются кирпичиками, из которых построен окружающий нас мир. Стандартная Модель предсказывает, что существуют 12 фермионов - частиц, из которых, в конечном счете, состоит вся материя во вселенной. Половина из них это кварки, составляющие адронов - частиц, участвующих в сильном взаимодействии. В частности из кварков состоят известные нам со школы протоны и нейтроны, образующие ядра. Кстати, последний из кварков, top quark, был также сравнительно недавно (в 1995 году) обнаружен в Ферми Лабе. Вторая половина "кирпичиков" материи это лептоны - частицы, участвующие в слабом взаимодействии. В их состав входят заряженные (положительно или отрицательно) частицы - электрон, мюон и тау-лептон и соответствующее каждому из них нейтрино - электронное, мюонное и тау-нейтрино и их античастицы. Интересно, что во взаимодействиях лептон и соответствующее ему нейтрино участвуют попарно.

Таким образом, экспериментальное обнаружение тау-нейтрино поставило точку в списке "материалов вселенной". Непосредственно зарегистрировать нейтрино чрезвычайно сложно. Ведь согласно Стандартной Модели эта частица обладает нулевой массой, кроме того, электрически нейтральна и, значит, может участвовать лишь в слабом взаимодействии. Нейтрино может беспрепятственно путешествовать во Вселенной, пролетая миллиарды километров без единого взаимодействия с веществом, пройти насквозь весь земной шар, не только не поглотившись, но и не изменив свою первоначальную энергию. Из трех нейтрино тау-нейтрино наиболее сложен для наблюдения. Именно поэтому тау-нейтрино было обнаружено настолько позже своих "сестер". (Электронное и мюонное нейтрино были открыты соответственно в 1956 и 1962 годах).

Поэтому, когда ученые из США, Японии, Кореи и Греции в 1997 году приступили к реализации программы DONUT на крупнейшем ускорителе Tevatron в Ферми Лабе, они отчетливо осознавали всю трудность поставленной задачи. 15-ти метровый детектор состоял из железных пластин, перемежавшихся с ядерными фотоэмульсиями, и был подвергнут облучению пучком ускорителя, в составе которого, по мнению ученых, должны были быть тау-нейтрино. Железо необходимо для увеличения массы вещества, через которое проходят нейтрино. Ведь чем больше масса, тем больше вероятность, что неуловимая частица испытает взаимодействие. При взаимодействии, тау-нейтрино "рождает" тау-лептон, трек которого может быть зарегистрирован с помощью ядерной фотоэмульсии. Принцип детектирования с помощью ядерных фотоэмульсий схож с принципом проявки обыкновенной фотографической пленки, но требования к качеству эмульсии и ее обработка несоизмеримо сложнее. Ученые использовали CCD камеры для записи трехмерных изображений, оставленных треками частиц в эмульсии, и последние компьютерные технологии, недавно разработанные в Японии, для идентификации треков. Физики провели последние три года, обрабатывая миллионы событий, собранных в течение полугода измерений. В результате были отобраны всего четыре "чистых" события, относящихся к тау-нейтрино. Хотя четыре события - очень маленькая статистика, картина взаимодействия в них настолько очевидна, что не остается сомнений в том, что они могли быть вызваны только тау-нейтрино.

Тот факт, что физики были уверены в существовании тау-нейтрино и думали, что рано или поздно частица будет обнаружена, нисколько не умаляет огромной работы, проделанной учеными колаборации DONUT. Думаю, что вслед за своими предшественниками, обнаружившими электронное и мюонное нейтрино, экспериментаторы из DONUT могут рассчитывать на получение Нобелевской премии через несколько лет.

Начало триумфальному шествию Стандартной Модели положило обнаружение в 1982 году в CERN (Швейцария) W и Z бозонов - переносчиков слабого взаимодействия, предсказанных моделью не только качественно, но и количественно (были подтверждены предсказанные с высокой точностью масса и время жизни бозонов). Теперь с открытием тау-нейтрино Стандартная Модель получила еще одно блестящее подтверждение.

Тем более может показаться странным, что хотя мы и находим все больше и больше подтверждений этой модели, среди физиков все сильнее растет осознание того факта, что Стандартная Модель не полна и не самодостаточна. Что эта теория, не сумеет привести физику к осуществлению основной мечты - объединению всех четырех видов взаимодействий (т.н. Великое Объединение) - сильного, слабого, гравитационного и электромагнитного. И дело не в присущем человечеству вообще и науке в частности недовольстве существующим положением вещей. Дело в том, что Стандартная Модель, блестяще отвечая на многочисленные вопросы "как?", оставляет открытыми многие фундаментальные вопросы "почему?". Почему, например, все адроны, состоящие из кварков, включая и собрат протона по ядру - нейтрон, распадаются, а протон является стабильной частицей? Почему в семействе электрон-мюон-таулептон только первый стабилен? Почему в конце концов все описанные выше кирпичики Вселенной обладают массой покоя и только лишь три нейтрино, согласно Стандартной Модели, таковой не имеет? Кстати, вопрос о массе нейтрино в последнее время особенно сильно волнует умы ученых, ибо по современным представлениям масса нейтрино, пусть микроскопическая, но ненулевая, необходима для Великого Объединения.

Приведу, как мне кажется, очень характерный пример изменения научных представлений. В 1980 году участникам международной конференции по физике нейтрино и астрофизике в Эриче (Италия) было предложено ответить на вопрос о величине массы нейтрино. Актуальность этого вопроса была вызвана докладом группы ИТЭФ (Москва), сообщившей об обнаружении массы электронного антинейтрино. Несмотря на утверждение авторов об измеренной ими относительно большой массы, большинство участников конференции ответило, что масса покоя нейтрино равна нулю. Данные ИТЭФ позже были опровергнуты серией прямых экспериментов, проведенных в США, Японии и Швейцарии, а также анализом нейтринного сигнала от вспышки сверхновой 1987А. Однако, думаю, что аналогичный опрос, проведенный сегодня, дал бы противоположный результат. Полученные недавно в Японии в эксперименте SuperKamiokande указания на нейтринные осцилляции, явление о котором я писал ранее и которое, будучи подтверждено, однозначно заявило бы о ненулевой массе нейтрино, говорят в пользу этого предположения. В настоящее время проводятся и планируются без преувеличения грандиозные эксперименты, посвященные поиску нейтринных осцилляций, распада протона, темного вещества во Вселенной. Эти и другие исследования позволяют рассчитывать на то, что первые фундаментальные открытия, выходящие за рамки Стандартной Модели, могут появиться в течение уже ближайшего десятилетия.

перейти к началу страницы