CALET: новый детектор на МКС
Вторая важная публикация на тему космических электронов, на этот раз за авторством коллаборации CALET, появилась в журнале Physical Review Letters в начале ноября. CALET — это международный спутниковый детектор космических лучей, прежде всего, электронов, позитронов и гамма-лучей, созданный Японским космическим агентством JAXA в сотрудничестве с Итальянским космическим агентством и NASA. Он был запущен на орбиту в августе 2015 года, размещен на японском секторе Международной космической станции, и в октябре того же года начал набор данных.
В отличие от AMS-02, детектор CALET не обладает собственным магнитным полем и не может так запросто различать электроны и позитроны. Он предназначен, прежде всего, для измерения совокупного их потока в области от 1 ГэВ до 20 ТэВ — и это он умеет делать отменно. Это полностью калориметрический детектор с несколькими слоями калориметров, способный практически полностью поглотить и «переработать» электромагнитный ливень от тэвных электронов (рис. 6). У него выдающаяся для компактных калориметров точность измерения энергии, около 2%, он умеет очень надежно отбраковывать протоны и прочие адроны (на уровне один к ста тысячам), и даже может определять направление прихода частицы по форме электромагнитного ливня.
Рис. 6. Электромагнитный ливень, порожденный электроном с энергией 1 ТэВ и практически полностью поглощенный детектором CALET. Рисунок с сайта calet.jp
На рис. 7 показан первый научный результат детектора CALET — суммарный поток электронов и позитронов с энергией вплоть до 3 ТэВ. Данные простираются в ту область, до которой спутниковые детекторы космических электронов еще не доходили: выше 2 ТэВ имеются данные наземного гамма-телескопа H.E.S.S. (показаны звездочками на рис. 7) и VERITAS, которые, однако, окончательно еще не опубликованы. Видно, что данные CALET отлично согласуются со спектром AMS-02 (синие пустые квадраты на рис. 7), что лишний раз подверждает корректность работы установки. Кроме того, CALET показывает, что выше 1 ТэВ продолжается примерно та же плавная степенная зависимость, что наблюдалась и при более низких энергиях, без каких-либо существенных всплесков и изломов
Степенной показатель спектральной зависимости составляет примерно −3,15 (обратите внимание, что на рис. 7 поток специально умножен на E3, так что от резкой зависимости остается только показатель −0,15). Иными словами, CALET не подтверждает наличие спектрального излома
Рис. 7. Суммарный поток космических электронов и позитронов в области от 10 ГэВ до 3 ТэВ по данным CALET (красные квадраты) и других обсерваторий (пустые символы). Полоса показывает величину систематических погрешностей. Изображение из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters
Впрочем, пару любопытных всплесков тут можно заметить и глазом. Один — плавный бугорок при 150–200 ГэВ, а второй, в виде слабого намека с несущественной статистической значимостью, — в районе 1 ТэВ. На самом деле на эту вторую особенность можно взглянуть и под таким углом: если считать, что три точки при 500–700 ГэВ, наоборот, просели относительно ровной линии, то получится, что, начиная с 1 ТэВ, CALET тоже, вроде бы, видит излом!
Понятно, что при таких больших погрешностях эти рассуждения остаются лишь гаданием. Авторы работы не стали ничего предполагать по этому поводу, ограничившись лишь констатацией факта, что намеки на структуры выше 100 ГэВ требуют дальнейшего изучения. Продолжение, безусловно, последует: установка зарекомендовала себя отлично, ее работа продлится еще несколько лет, и при уменьшении погрешностей выводы станут более определенными.
I. Фермионы
В этот класс входят 12 обычных частиц и столько же античастиц. Они противоположны по заряду: например, античастица отрицательно заряженного электрона — это положительно заряженный позитрон.
Эти 12 частиц, в свою очередь, можно поделить на две группы по 6 штук: кварки и лептоны.
Как устроен атом
Атом состоит из ядра, в котором сосредоточено более 99 % его массы, и электронной оболочки, окружающей его, как облако. Электроны, составляющие внешнюю оболочку, — это элементарные частицы. Ядро же состоит из протонов и нейтронов (вместе они называются нуклонами). Протоны заряжены положительно, чтобы компенсировать отрицательный заряд электронов на внешней оболочке, а нейтроны, как следует из названия, вообще не имеют заряда и «склеивают» ядро, не давая ему распасться (как это происходит с радиоактивными элементами).
Кварки — любители ходить в парах
В отличие от электронов кварки не могут существовать в свободном состоянии и соединяются в пары. Эти пары называются мезонами — это частицы, которые перемещаются между протонами и нейтронами и удерживают ядро в стабильном состоянии. Три кварка образуют нуклоны — протон или нейтрон. Частицы, состоящие из четырех или пяти кварков, являются экзотическими и отчасти вызывают гравитационное взаимодействие между телами.
Лептоны — одиночки
Второй тип фермионов — лептоны, их свойства совершенно другие. Кварки не могут существовать поодиночке, а лептоны, наоборот, не могут соединяться (если это, конечно, не частица со своей античастицей: объединяясь, они исчезают, выделяя энергию).
Долгое время ученые не могли понять, в чем «сила» электрона. В конце концов они нашли этому одно разумное объяснение: электрон — это единственная стабильная заряженная частица из своего класса. Остальные 5 заряженных лептонов не существуют дольше 2 микросекунд: они либо распадаются на несколько более мелких частиц, либо, наоборот, соединяются в одну более крупную.
Нейтрино — неуловимые лептоны
Еще один вид лептонов — нейтрино, практически неуловимые частицы, которые движутся в космосе со скоростью света. Еще с середины ХХ века проводятся эксперименты, чтобы их поймать и изучить. Многое в этих «неуловимых» частицах уже исследовано, и ученые даже пытались создать коммуникацию с их помощью, но идея осталась лишь в планах. Нейтрино могут быть индикаторами различных процессов, происходящих в ядрах звезд. Например, в нашем Солнце протекает множество термоядерных реакций каждую секунду, и практически каждая такая реакция выделяет хотя бы одно нейтрино.
Нейтрино бывают нескольких видов: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Все эти названия взяты не с потолка.
Прощай, Стандартная модель?
О том, что новое открытие, вероятно, является важнейшим для современной физики, пишут все мировые СМИ. Еще бы – эксперименты с частицами, известными как мюоны, показывают, что существуют неизвестные науке формы материи и энергии. Несмотря на поразительный успех в объяснении фундаментальных частиц и сил, составляющих Вселенную, описание Стандартной модели остается прискорбно неполным.
Во-первых, она не учитывает гравитацию и точно так же молчит о природе темной материи, темной энергии и масс нейтрино. Чтобы объяснить эти явления и многое другое, ученые искали Новую физику (физику за пределами Стандартной модели), исследуя аномалии, в которых экспериментальные результаты расходятся с теоретическими предсказаниями.
Натуральное производство
Позитроны естественным образом образуются в β+ распады естественных радиоактивных изотопов (например, калий-40 ) и при взаимодействии гамма-квантов (испускаемых радиоактивными ядрами) с веществом. Антинейтрино представляют собой еще один вид античастиц, производимых естественной радиоактивностью (β− разлагаться). Многие различные виды античастиц также производятся (и содержатся в них) космические лучи. В исследовании, опубликованном в 2011 г. Американское астрономическое общество были открыты позитроны, возникающие выше гроза облака; Позитроны образуются в гамма-вспышках, создаваемых электронами, ускоренными сильными электрическими полями в облаках. Было также обнаружено, что антипротоны существуют в Ремни Van Allen вокруг Земли .
Античастицы, из которых наиболее распространены позитроны из-за их малой массы, также образуются в любой среде с достаточно высокой температурой (средняя энергия частиц больше, чем парное производство порог). В период бариогенезиса, когда Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной, материя и антивещество непрерывно производились и уничтожались. Наличие оставшегося вещества и отсутствие обнаруживаемого оставшегося антивещества, также называемый барионная асимметрия, приписывается CP-нарушение: нарушение CP-симметрии, относящейся к антивеществу. Точный механизм этого нарушения при бариогенезе остается загадкой.
Производство позитронов из радиоактивных β+ разлагаться можно рассматривать как искусственное, так и естественное производство, так как образование радиоизотопа может быть естественным или искусственным. Возможно, наиболее известным изотопом природного происхождения, производящим позитроны, является калий-40, долгоживущий изотоп калия, который встречается как первичный изотоп калия. Несмотря на небольшой процент калия (0,0117%), это единственный наиболее распространенный радиоизотоп в теле человека. В теле человека массой 70 кг около 4400 ядер 40K распада в секунду. Активность природного калия 31 Бк /грамм. Около 0,001% из них 40K-распады производят около 4000 естественных позитронов в день в организме человека. Эти позитроны вскоре находят электрон, аннигилируют и производят пары фотонов с энергией 511 кэВ в процессе, аналогичном (но с гораздо меньшей интенсивностью) тому, что происходит во время ПЭТ сканирование ядерная медицина процедура.[нужна цитата ]
Недавние наблюдения показывают, что черные дыры и нейтронные звезды производят огромное количество позитронно-электронной плазмы в астрофизические джеты. Большие облака позитронно-электронной плазмы также были связаны с нейтронными звездами.
Наблюдение в космических лучах
Спутниковые эксперименты показали наличие позитронов (а также нескольких антипротонов) в первичных космических лучах, составляющих менее 1% частиц в первичных космических лучах. Похоже, они не являются продуктом большого количества антивещества, образовавшегося в результате Большого взрыва, или действительно сложного антивещества во Вселенной (доказательства отсутствуют, см. Ниже). Скорее, антивещество в космических лучах, по-видимому, состоит только из этих двух элементарных частиц, вероятно образовавшихся в энергетических процессах спустя много времени после Большого взрыва.[нужна цитата ]
Предварительные результаты действующих в настоящее время Альфа-магнитный спектрометр (AMS-02) на борту Международная космическая станция показывают, что позитроны в космических лучах прибывают без направленности и с энергиями в диапазоне от 0,5 ГэВ до 500 ГэВ. Доля позитронов достигает максимума около 16% от общего числа электрон + позитронных событий при энергии 275-32 ГэВ. При более высоких энергиях, до 500 ГэВ, соотношение позитронов и электронов снова начинает падать. Абсолютный поток позитронов также начинает падать до 500 ГэВ, но достигает пика при энергиях, намного превышающих энергии электронов, которые достигают максимума около 10 ГэВ. Было высказано предположение, что эти результаты интерпретации связаны с рождением позитронов в событиях аннигиляции массивных темная материя частицы.
Позитроны, как и антипротоны, похоже, не происходят из каких-либо гипотетических «антивещественных» областей Вселенной. Напротив, нет никаких свидетельств существования сложных атомных ядер антивещества, таких как антигелий ядер (то есть анти-альфа-частиц) в космических лучах. Их активно ищут. Прототип AMS-02 назначенный АМС-01, был отправлен в космос на борту Космический шатл Открытие на СТС-91 в июне 1998 года. Не обнаружив ни одного вообще, АМС-01 установлен верхний предел 1,1 × 10−6 для антигелия к гелию поток соотношение.
Принцип квантовой неопределенности
Еще одна удивительная особенность микромира была открыта, когда ученые провели известный эксперимент, демонстрирующий как один объект может быть в двух местах одновременно.
Оказалось, что во вселенной мельчайших частиц кроме того, что информация может распространяться со сверхсветовой скоростью, простой факт наблюдения за экспериментом может изменять его результаты. Другими словами, поведение частиц в микромире меняется в зависимости от того следим мы за ними или нет.
Это открытие было сделано Томасом Юнгом. Ученый пропускал фотоны сквозь металлическую пластину с двумя прорезями. Частицы, проскочившие в прорези, засвечивали проекционный экран позади пластины. Результаты эксперимента озадачивают ученых по сей день. После того как электрон был запущен в экран он оставлял на проекторе такой след, как будто сквозь щели барьера пропустили не один электрон, а сразу два. Так, как если бы микрочастица каким-то образом сама себя клонировала и прошла сквозь обе щели одновременно. Но как один объект может быть в двух местах одновременно?
Волновая интерференция в опыте Юнга
Пытаясь приблизиться к разгадке этого феномена, физики проследили за движением электронов, фотонов и других субатомных частиц. Они не просто изучали следы, оставленные на экране, они наблюдали за моментом прохождения частиц сквозь прорезь и открыли нечто поразительное.
Когда они следили за электронами, те вели себя как частицы, но, если наблюдение в этот момент не велось, электроны вели себя как волны, а экран фиксировал их интерференцию, что совершенно необъяснимо. Ученые сделали вывод, что сам процесс наблюдения влиял на природу субатомных частиц. Это явление ученые назвали «принципом квантовой неопределённости».
Это одно из самых загадочных явлений в квантовой физике. Смотрим на объект — видим частицу, не смотрим — имеем дело уже с волной. Когда результат эксперимента были опубликованы, ученые пришли в замешательство. Эйнштейн по этому поводу сказал: «Я не верю в квантовую физику, потому что луна на небе существует, даже если я на нее не смотрю»
Однако, современные ученые, повторив эксперимент Юнга с использованием современных инструментальных средств, не просто повторили результаты двухвековой давности, но и столкнулись с новым явлением, изменившим само восприятие времени.
Электроны все так же пропускали сквозь пластину с двумя прорезями. Однако теперь ученые смогли начать наблюдение тогда, когда электроны уже прошли сквозь отверстие в пластине, но всё еще не ударились о проекционный экран.
В результате электроны, которые до начала наблюдения вели себя как волны, в момент начала наблюдения, становились частицами. Как если бы электроны в момент начала наблюдения вернулись назад во времени и начали вести себя как частицы, отменив свое волновое поведение до начала наблюдения.
Это одна из самых больших загадок квантового мира. Она же является самой большой проблемой при изучении микрочастиц. Сталкиваясь с принципом неопределенности, физики понимают, что просто не в состоянии с точностью определить местоположение частиц из-за их волновых свойств.
И, что более удивительно, когда ученые пытаются поймать частицу, она генерирует энергию и покидает пространство наблюдения до того, как ее местоположение и скорость будут определены. Принцип неопределенности показывает нам, что сама природа не позволяет поймать свои фундаментальные частицы.
Несмотря на всю странность этого явления, может быть это и есть основной принцип существования нашего мира — мы просто ничего не можем знать с абсолютной точностью.
Теория одного электрона. Теория одноэлектронной Вселенной
Теория одноэлектронной Вселенной —, в которой всеявляются одним электроном, находящимся попеременно в разных точках. Предпосылкой для создания гипотезы являлся принцип, то есть невозможность экспериментально различить два электрона. Основоположником гипотезы считается. Ввиду своей простоты гипотеза может быть сформулирована в рамках школьной программы по физике.
Формулировка
Рассмотрим для простоты двумерную Вселенную — одна ось пространства и одна ось времени. Вначертим произвольную кривую. Укажем направление обхода этой кривой. Выделим две части этой кривой: та часть, которая идёт вправо (синяя линия) и та часть, которая идёт влево (красная линия). Эти цвета соответствуют электрону и. Фрагментируем время: разделим ось времени на множество составляющих, при этом шаг разбиения может быть различным. Выберем на каждой полосе только одну составляющую кривой. Проделав всё это, мы имеем Вселенную, в которой в каждый момент времени всегда существует только один электрон, при этом может показаться что их несколько (на рисунке такое число достигает четырёх).
История создания
Фейнман пришёл к своей основной идее, когда он был студентом ввесной 1940 года, во время телефонного разговора со своим профессором физики. В речи при получении Нобелевской премии Фейнман следующим образом передаёт эту историю: «Фейнман, — сказал Уилер, — я знаю, почему все электроны обладают одним и тем же зарядом и одной и той же массой». «Почему?» — спросил Фейнман. «Потому, — ответил Уилер, — что все они являются одним и тем же электроном!»
В 1948 году Ричард Фейнман разработал математический подход к квантовой теории, в котором античастица рассматривалась как частица, движущаяся обратно во времени.
Проблемы теории
- Электронейтральность Вселенной. По этой теории число электронов должно быть или равным числу позитронов или отличаться на единицу. Однако во Вселенной(вот почему, когда Уилер описал свою гипотезу, Фейнман сразу же спросил его: «Но, профессор, вокруг нас нет столько позитронов, сколько электронов». «Хорошо, — парировал Уилер, — может быть, они скрываются в протонах или ещё в чём-нибудь»).
- Трудности при объяснении некоторых реакций элементарных частиц.
- Достаточно создать одну пару электрон-позитрон, а потом их же аннигилировать, и тогда мировая линия электрона замкнется в кольцо, никак не связанное с мировой линией другого электрона, значит, электрон не один.
Свободный электрон
Именно поток свободных электронов образует электрический ток. Больше всего не связанных с атомами электронов в металлах, чем и объясняется их высокая электропроводимость.
Впервые предположение о том, что электрический разряд состоит из отдельных частиц, еще в середине XVIII века высказал Бенджамин Франклин (1706-1790)
Сходные идеи в той или иной форме развивались на протяжении всего XIX столетия: так, важной вехой стало открытие Майклом Фарадеем (1791-1867) ионов – переносчиков электрического заряда в растворах солей. Ионы, как сейчас известно, представляют собой атомы с неравным количеством протонов и электронов, но их структура оставалась загадкой вплоть до рубежа веков
Проводя эксперименты с так называемыми «катодными лучами» (отрицательно заряженным излучением, возникающим в разреженном газе), британский физик Джозеф Томсон (1856-1940) обнаружил их дискретную природу. Лучи искривлялись под воздействием магнитных полей, а их скорость была значительно меньше скорости света. Следовательно, лучи – точнее, их составляющие – имели массу, которая при этом составляла лишь тысячные доли от массы любого известного иона. Томсон назвал новые частицы «электронами» (от греческого слова «янтарь»: с древности было известно, что от трения янтарь начинает притягивать мелкие предметы и испускать искры – эффекты, которые в современных терминах объясняются через идею статического электричества). Вскоре они стали важнейшим элементом всех новых моделей атомов.
Чтобы вырваться за пределы атома и стать свободным, электрону требуется некоторое количество энергии, разное для разных элементов. Её электрон может получить, например, за счёт поглощения фотонов света или любого другого электромагнитного излучения.
Другой способ образования свободных электронов – так называемый «бета-минус-распад», то есть превращение нейтрона внутри атомного ядра в протон. В ходе этого процесса из высвобожденных энергии и электрического заряда возникают пучки быстрых электронов и других частиц, антинейтрино.
Квантовая запутанность
Например, для передачи информации на огромные расстояния можно было бы использовать такое явление, как «квантовая запутанность». Это явление заключается в том, что при взаимодействии двух субатомных частиц, они приобретают состояние запутанности — их скорость, положение и другие характеристики становятся взаимозависимыми в силу каких-то неизвестных науке процессов. Такие частицы могут мгновенно влиять друг на друга, даже если между ними огромное расстояние. В идеале, квантовое состояние частицы абсолютно зависимо от квантового состояния ее частицы партнёра.
К примеру, если запутавшуюся частицу, заставить вращаться по часовой стрелке, вторая частица немедленно начнет вращаться в обратную сторону. Возможно это выглядит любопытным и не более, но давайте вдумаемся. С помощью этого явления можно воздействовать на объекты, которые находятся в миллиардах световых лет от нас!
Еще одно применение квантовой запутанности на практике возможно для создания более мощных вычислительных систем и компьютеров.
Ученые Национального Исследовательского Технологического Университета «МИСиС» в Москве, создали прототип квантового компьютера, который использует для хранения данных квантовые биты (q-биты или кубиты) вместо обычных. Преимущество использования кубитов в том, что один такой кубит может выполнять большое количество вычислений одновременно, что делает такой компьютер самым мощным из когда-либо созданных человеком.
Сегодня прототипы квантовых компьютеров можно сравнить с обычными компьютерами в середине прошлого века — они занимают огромное помещение и могут выполнять лишь базовые операции.
Самой серьёзной проблемой на данном этапе остается эффективное кодирование информации — классическую двоичную систему пытаются переложить на систему квантовых запутанностей. Когда ученым это удастся, жизнь человечества может кардинально измениться, ведь даже самый простой квантовый компьютер сможет решить сложнейшие уравнения с невероятным количеством переменных. Например, таких, которые описывают большой взрыв.
Новая физика
Сенсационное открытие исследователей из Fermilab является важным звеном в нашем понимании того, что может лежать за пределами Стандартной модели, но у теоретиков, которые ищут новую физику, нет бесконечного пространства для исследования. Любая теория, которая пытается объяснить результаты мюонного эксперимента, должна также учитывать отсутствие новых частиц, в ходе исследований на БАК в ЦЕРН.
Осмотр мюонного кольца g-2 в 2013 году.
Интересно, что в некоторых из предложенных на сегодняшний день теорий Вселенная содержит несколько типов бозонов Хиггса, а не только тот, который включен в Стандартную модель. Другие теории ссылаются на экзотические «лептокварки», которые вызывают новые виды взаимодействий между мюонами и другими частицами. Но поскольку многие из простейших версий этих теорий уже были исключены, физикам «приходится мыслить нетрадиционными способами», – пишет National Geographic.
Следующий шаг в этом направлении исследований – повторить полученные результаты. Выводы Fermilab основаны на первом запуске эксперимента, который закончился в середине 2018 года. В настоящее время команда анализирует данные двух дополнительных запусков. Если эти данные будут похожи на данные полученные в ходе первого запуска, их может быть достаточно, чтобы сделать аномалию полномасштабным открытием к концу 2023 года.
Физики также приступили к внимательному изучению предсказаний Стандартной модели, особенно в тех ее местах, которые, как известно, трудно вычислить. Новые суперкомпьютеры также должны помочь в этом нелегком деле, но все же потребуются годы, чтобы просеять эти тонкие различия и увидеть, как они влияют на охоту за новой физикой.
Физик-теоретик Митио Каку поделился своими мыслями о последних открытиях в своем Twitter.
Квантовое туннелирование
Принцип неопределенности в микромире распространяется не только на расположение частиц, он касается, в том числе, и энергии частиц. Этот феномен был назван «квантовым туннелированием» и означает что даже если у электрона недостаточно энергии, чтобы пройти сквозь материю, он все равно может это сделать.
Это звучит невероятно, но принцип квантового туннелирования позволяет частице заимствовать энергию из будущего, чтобы преодолеть барьер, а затем возвращать ее. Хотя, на самом деле, потенциальный электрон уже находится по другую сторону стены.
С самого начала открытия удивительных свойств микромира, ученые задаются вопросом, можно ли применить в нашем привычном макромире явления квантового туннелирования, нахождение в нескольких местах одновременно, возвращение в прошлое… Большинство ученых категорически отвергают такую возможность.
В то же время, все большее число ученых выдвигают новую сенсационную теорию для объяснения явлений квантового мира. Она заключается в том, что так как мы состоим из крошечных частиц, которые могут находиться в нескольких местах одновременно, то это свойство касается и нас. Ученые называют это «многомировой интерпретацией квантовой физики». Они утверждают, что как электрон в опыте Юнга, люди проживают несколько разных жизней. Каждый раз, когда мы стоим перед выбором, мы не выбираем один вариант развития событий, а осуществляем сразу оба, только в параллельных измерениях нашей реальности. Это может звучать для нас неправдоподобно, но микромир именно так и существует.
Это значит, что существуют бесконечное число вселенных со всеми возможными исходами всех событий.
НравитсяНе нравится
II. Бозоны
Невольно возникает вопрос: а чем фермионы отличаются от бозонов? Всё дело в квантовой характеристике — спи́не. У фермионов он дробный: чтобы при повороте в пространстве частица стала симметричной себе, надо повернуть ее больше чем на один полный оборот. А у бозонов спин целый — то есть либо они одинаковы, как ни крути, либо для совмещения самих с собой в пространстве их нужно повернуть на 180 или 360 градусов.
Спин обуславливает обменное взаимодействие элементарных частиц, когда между двумя одинаково заряженными частицами может возникать связь (это свойство исчезает при переходе к большим системам). Если по законам классической механики два электрона должны отталкиваться, то квантовая механика «разрешает» им находиться относительно близко друг от друга — на одной орбитали.
Траектории движения элементарных частиц, образующихся в результате столкновения двух протонов
Бозоны, слава богу, не делятся ни на какие группы. В Стандартной модели их выделяют всего пять: фотон, W-бозон, Z-бозон, глюон и бозон Хиггса. С фотоном мы уже знакомы, его функция — переносить электромагнитное возбуждение (то есть свет разного диапазона длин волн). W- и Z-бозоны — это своего рода волшебные палочки. W-бозоны переносят электрический заряд, понижая или повышая его у выбранной цели, и могут превращать один вид кварков в другой. Z-бозоны помогают передавать импульс и спин от одной частицы к другой при их столкновении.
Выделяют 8 типов глюонов.
Какие бывают элементарные частицы
После открытия электрона ученые ввели в картину мира фотон и остальные бозоны, дополнили список лептонов и открыли кварки.
С каждым витком развития науки люди стремились поделить вещество на мельчайшие части, чтобы понять, как оно устроено. Оказалось, что вся материя, которая нас окружает, похожа на матрешку с четырьмя оболочками:
- то, что мы видим невооруженным глазом;
- молекулярная структура;
- атомная структура;
- элементарный уровень.
Да, их очень много — но так даже интереснее. Со времен открытия электрона ученые обнаружили огромное количество фундаментальных частиц и разделили их на две большие группы: фермионы (от фамилии итальянского физика Энрико Ферми) и бозоны (в честь индийского физика Сатьендры Нат Бозе).
Все частицы Стандартной модели, собранные в подобие системы Менделеева. Справа — бозоны, слева — фермионы
Символ электрона. Античастица электрона
Первой античастицей, чье существование было предсказано, а потом доказано научно, стал позитрон.
Чтобы понять происхождение этой античастицы, стоит обратиться к строению атома. Известно, что ядро атома содержит протоны (положительно заряженные частицы) и нейтроны (частицы, не имеющие заряда). По его орбитам обращаются электроны – частицы с отрицательным электрическим зарядом.
Позитрон – античастица электрона. Она обладает положительным зарядом. В физике символ позитрона выглядит таким образом: е+(для обозначения электрона используется символ е-). Появляется эта античастица в результате радиоактивного распада.
Как физики обнаружили аномалию
Представьте себе каждый мюон в виде крошечных аналоговых часов. По мере того как частица вращается вокруг магнита, ее часовая стрелка вращается со скоростью, предсказанной Стандартной моделью. Когда время мюона истекает, он распадается на позитрон, который испускается в направлении часовой стрелки. Но если эта стрелка поворачивается со скоростью, отличной от теоретической – скажем, слишком быстро – распад позитрона в конечном итоге будет направлен в несколько ином направлении. (В этой аналогии часовая стрелка соответствует спину мюона – квантовому свойству, определяющему направление распада мюона.) Обнаружьте достаточно отклоняющихся позитронов, и вы получите аномалию.
Кольцо хранения частиц мюона g-2 в здании MC-1 в Fermilab.
Однако то, что эта аномалия подразумевает, неоднозначно. Возможно, что-то не учитывается Стандартной моделью, и это может быть разница между электронами и мюонами. Или же подобный эффект может наблюдаться в электронах, которые в настоящее время слишком малы, чтобы их можно было увидеть. Напомним, что масса частицы связана с тем, насколько она может взаимодействовать с более тяжелыми неизвестными частицами, поэтому мюоны, масса которых примерно в 200 раз больше массы электронов, гораздо более чувствительны.
Ученые также сообщили, что вероятность того, что полученные измерения могут быть случайностью равняются одному из 40 000. Это значительно меньше золотого стандарта, необходимого для официального открытия по стандартам физики, а результаты, полученные исследователями, составляют лишь 6 процентов от общего объема данных, которые мюонный эксперимент, как ожидается, соберет в ближайшие годы.
