Как поймали бозон
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Сколько стихий правит миром? Физики до не столь уж давнего времени полагали, что их четыре. Это фундаментальные взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное… Но, возможно, они — всего лишь проявления одного общего начала? Попытки ответить на вопрос привели к созданию теории единого электрослабого взаимодействия. Для окончательного торжества теории не доставало «малости» — обнаружения частицы, лежащей в ее основе, так называемого промежуточного бозона. И вот, похоже, частица эта найдена…
«Если ты знаешь, что ищешь, то зачем ищешь? А если не знаешь, то как надеешься найти?» — так высказался один из древних философов. И экспериментальные работы в области физики элементарных частиц, в большинстве своем, представляли и представляют поиски «не знаю чего», правда, в тех областях, где это «не знаю что» можно найти с наибольшей вероятностью. Но бывают и исключения, вот об одном из них и пойдет речь.
Обнаружение промежуточного бозона физики буквально планировали. Ситуация очень напоминала эпизод с плакатом из фильма «Девять дней одного года». Плакат гласил: «Откроем еще одну новую частицу в следующем квартале!» В фильме этот лозунг был, несомненно, ироническим, но среди физиков летом 1981 года подобные заявления звучали совершенно серьезно. Как раз в это время готовился к запуску ускоритель «Коллайдер» в ЦЕРНе — Европейском центре ядерных исследований. Ускоритель был специально переоборудован с основной целью — обнаружить промежуточный бозон. На нем установили несколько детекторов, и в том, что бозон найдут, если не со дня на день, то с месяца на месяц, не сомневался практически никто. Так и говорили на научных конференциях: в конце 1981 года, самое позднее — в начале 1982 откроют промежуточный бозон. У постороннего человека могло создаться впечатление, что у природы нет больше тайн от физиков и они уже, действительно, планируют открытия поквартально.
Однако все оказалось не так легко: более года экспериментальные установки не могли поймать бозон по чисто техническим причинам. В «Коллайдере» сталкиваются пучки протонов и антипротонов. В их столкновениях и рождаются промежуточные бозоны, но с очень малой вероятностью. Поэтому, чтобы наблюдать хотя бы несколько бозонов в день, надо сталкивать очень большое количество частиц во встречных пучках. Оказалось, что «организовать» такие массовые столкновения совсем не просто, ушел на это почти год.
Но что же это за частица такая, для поимки которой был специально переоборудован ускоритель, да еще потом не один месяц возились и будут возиться экспериментаторы, чтобы поймать ее? Промежуточный бозон, несомненно, заслужил такое исключительное к себе внимание. Он является переносчиком слабого взаимодействия. Но его не могли наблюдать, потому что он имеет очень большую, по меркам микромира, массу — почти в восемьдесят раз больше, чем у протона. На имеющихся в распоряжении физиков ускорителях просто не достигались энергии, необходимые для его рождения. Поэтому и пришлось строить «Коллайдер» с энергией сталкивающихся пучков по двести семьдесят миллиардов электрон-вольт.
И все же бозон удалось поймать: в начале 1983 года из ЦЕРНа пришли первые известия о том, что зарегистрированы случаи рождения и распада промежуточного бозона. Распадается он чаще всего на электрон и нейтрино, летящие в разные стороны. Поскольку масса у бозона огромная, а при распаде вся она передается в виде энергии частицам, на которые бозон распадается, легкие электрон и нейтрино разлетаются с энергиями в десятки миллиардов электронвольт. Чтобы быть уверенными, что электрон появился благодаря распаду бозона, а не залетел «со стороны», надо очень точно определить направление его вылета и энергию. Сделать же это для столь энергичных частиц очень сложно: приходится строить огромные установки. Та, на которой обнаружили бозон, к примеру, имеет в длину десять, а в ширину пять метров, а весит более двух тысяч тонн. Участие в эксперименте приняли более ста физиков из одиннадцати стран Европы и Америки.
Автор: А. Семенов.