Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Cтатьи / Наука сегодня
Начало сайта / Cтатьи / Наука сегодня

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Биологически активные

Время, хранимое как драгоценность

Механизм ответственной власти

Парадоксы науки

Среди запахов и звуков

Яды – вчера и сегодня

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Брукхэйвенская магнитная аномалия

Последние эксперименты на мощнейшем ускорителе протонов

Тигран Оганесян

Аномальный мюон

В эксперименте Е821 в BNL проводились измерения отклонения – аномального магнитного момента одной из элементарных частиц, мюона. Мюон – близкий родственник электрона. Оба относятся к классу легких частиц – лептонов, которые не участвуют в сильном взаимодействии, а только в гравитационном, электромагнитном и слабом, обладают одинаковыми зарядами и спином. Более того, мюон может даже заменить один из электронов в атоме, превратив последний в мю-атом.

Принципиальное отличие мюона от электрона прежде всего заключается в его массе (мюон в 207 раз тяжелее электрона), а также во времени жизни (мюон живет, не распадаясь, порядка 10–6 секунды, тогда как электрон, в идеале, бессмертен). По теории Дирака, остальные свойства мюона не должны отличаться от свойств электрона, и соответственно, у мюона не может быть аномального магнитного момента. «Магнитная аномалия» указывает на наличие сильного взаимодействия. Например, аномальный магнитный момент протона и нейтрона как раз свидетельствует о том, что они участвуют не только в электромагнитном, но и в сильном взаимодействии. Однако дальнейшие теоретические и экспериментальные изыскания физиков привели к выводу о том, что и электрон, и мюон ведут себя в магнитном поле «не должным образом» – их магнитный момент непостоянен.

Более поздняя физическая теория (предложенная Ричардом Фейнманом), призванная залатать дыры в теории Дирака, показала, что магнитный момент мюона, равно как и электрона, несколько отличен от дираковской величины. Согласно Фейнману и его последователям, виновниками аномального отклонения являются виртуальные частицы (или квазичастицы), в огромном количестве присутствующие в физическом вакууме. Существование этих квазичастиц прямо зафиксировать невозможно. Однако следствия взаимодействия виртуальных частиц с реальными с хорошей точностью фиксируются экспериментально.

Стандартная модель умеет подсчитывать эффект, производимый этими виртуальными частицами и приводящий к пресловутой аномалии магнитного момента мюона. Величина этой аномалии составляет примерно 1/850 (данное отклонение постоянно корректируется теорией и по «текущим» предсказаниям КЭД составляет 0,0011658470).

Две и шесть десятых

Экспериментальные измерения аномального магнитного момента мюона, подвергшие практической проверке правильность предсказаний Стандартной модели, были впервые проведены еще в 70-е годы в Европейском центре ядерных исследований (CERN, Женева). Тогдашние результаты обнадеживали: теоретические и экспериментальные величины практически совпали друг с другом. Но с точки зрения статистики женевский эксперимент был недостаточным для окончательного подтверждения Стандартной модели (слишком велика была возможная погрешность).

Поэтому возникла потребность в новой экспериментальной проверке на значительно большем массиве данных. Такая проверка и была осуществлена в Брукхэйвене. В эксперименте Е821 приняли участие ученые из США, Германии, Японии и России (восемь специалистов из новосибирского Института ядерной физики им. Будкера и еще двое наших соотечественников, работающих сейчас в США). Эксперимент был начат в 1997 году: на специальном ускорителе элементарных частиц (изохронном синхротроне, самом мощном на сегодня в мире ускорителе протонов). Протоны «выстреливались» в никелевую мишень, и получавшиеся в результате пучки мюонов загонялись в так называемое мюонное кольцо, находящееся в сильном постоянном магнитном поле. Эксперимент проводился в несколько серий, растянутых на несколько лет. А как известно, в экспериментальной физике анализ полученных результатов занимает в несколько раз больше времени, чем собственно измерения.

Восьмого февраля этого года были наконец обнародованы данные обработки сеанса статистики 1999 года (ранее публиковались данные по сеансам 1997-го и 1998 годов). По совокупности статистических расчетов 1997...2000 годов аномальный момент мюона должен быть подсчитан с чудовищной точностью 0,000035%. Полученный результат «магнитной аномалии» сеанса 1999 года (его точность составляет 0,00013%) – 0,0011659202. А это означает, что экспериментальные данные на две целых и шесть десятых стандартной статистической ошибки отличаются от предсказаний Стандартной модели! По словам одного из руководителей эксперимента Джерри Банса (BNL), «на данный момент мы на девяносто девять процентов уверены в том, что предсказания Стандартной модели не в состоянии объяснить наши результаты».

Что из этого следует? То, что Стандартная модель недостаточна для объяснения процессов, происходящих в субатомном мире, и требует существенной доработки или даже пересмотра. «Наши исследования, возможно, станут началом новой эпохи физических экспериментов, нацеленных на проверку новых теорий, прежде всего суперсимметрии», – утверждает другой участник Е821, бостонский теоретик Ли Робертс. Ученые, непосредственно не вовлеченные в брукхэйвенский эксперимент, высказываются еще более определенно. В нескольких опубликованных сразу же после оглашения результатов измерений статьях звучит общий лейтмотив: именно не обнаруженные до сих пор «суперпартнеры» обычных частиц, существование которых прогнозируется теорией суперсимметрии, скорее всего несут ответственность за столь большое по физическим меркам расхождение экспериментальных и теоретических данных.

Суть теории суперсимметрии (впервые введенной в научный оборот в 1971 году российскими учеными Ю.А. Гольфандом и Е.П. Лихтманом) связана с понятием спина. В зависимости от значения спина частицы делятся на фермионы (ферми-частицы) с полуцелыми спинами (1/2, 3/2), и бозоны (бозе-частицы) с целочисленными спинами (0, 1 и 2). Фермионы – это те частицы, из которых, как правило, строится вещество, тогда как бозоны обычно играют роль переносчиков взаимодействий – квантов поля.

Теория суперсимметрии базируется на предположении, что в природе должен существовать такой вид симметрии, который позволил бы единообразно описывать поведение как элементарных частиц, так и квантов поля.

Суперпартнеры и единое поле

Вообще, одна из главных исследовательских программ современной теоретической физики – построение единой теории поля, или Великого объединения, которая опишет четыре главных вида взаимодействий – электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное – и все виды элементарных частиц на основе небольшого числа универсальных принципов. На поиски «единого поля» направлены в последние десятилетия основные усилия физиков, которые постепенно объединяют между собой различные типы взаимодействия. Именно на такое объединение нацелена теория суперсимметрии.

Развитие физики высоких энергий показало, что с ростом энергии взаимодействующих частиц симметрия фундаментальных взаимодействий повышается, и в итоге это приводит к объединению взаимодействий, однако энергии, необходимые для такого объединения, чрезвычайно велики (выше 1000 ГэВ). Отсюда родилась гипотеза о том, что в первые мгновения после Большого взрыва (предположительной причины возникновения Вселенной) законы природы обладали очень высокой степенью динамической симметрии: возможно, три (а может быть, и все четыре) вида фундаментальных взаимодействий были объединены в одно.

Впрочем, то, что еще совсем недавно казалось в лучшем случае далекой перспективой физики (получение энергий выше 1 ТэВ, то есть 1000 ГэВ), сегодня уже стало реальностью – в американской Лаборатории Ферми (расположенной рядом с Чикаго) действует протон-протонный коллайдер (ускоритель встречных пучков протонов) мощностью 2 ТэВ, а в 2006 году планируется ввод в действие нового рекордсмена – большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider, LHC) в CERN суммарной мощностью 14 ТэВ (2·7 ТэВ). Благодаря этим энергетическим монстрам шансы экспериментаторов на обнаружение пресловутых сверхтяжелых «симметричных частиц» значительно возрастают, и, возможно, уже в этом десятилетии мы все-таки услышим об открытии «чарджино», «нейтралино», «хиггсино» и других подобных плодов воспаленного воображения адептов «новой физики». Правда, даже в случае победы теории суперсимметрии конечная общая физическая теория может и не дать никаких практических результатов для человечества – с возможностью подобного итога соглашается и один из теоретиков Великого объединения, нобелевский лауреат Стивен Вайнберг.

 

Ранее опубликовано:

Журнал «Эксперт», №7 (267). Брукхэйвенская магнитная аномалия.

Дата публикации:

25 февраля 2001 года

Электронная версия:

© НиТ. Cтатьи, 1997

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2017
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика