§ 242. Лептоны. Промежуточные бозоны. Единство всех взаимодействий

Бурное развитие физики элементарных частиц последних лет существенно изменило наши представления не только об адронах, но и о лептонах, т. е. частицах, обладающих только слабым и электромагнитным (заряженные лептоны) взаимодействиями. Помимо двух пар лептонов, известных ранее (электроны и электронные нейтрино и мюоны и мюонные нейтрино — см. §§ 231, 233, 234), был открыт еще один тяжелый заряженный лептон, получивший название тау-лептона (). Вместе с т-лептоном, по-видимому, должно существовать еще одно нейтрино— так называемое тау-нейтрино (). Правда, это последнее пока еще не наблюдалось в прямых экспериментах Тау-нейтрино могут появляться, например, при распаде тау-лептонов или вылетать вместе с тау-лептонами в распадах более тяжелых частиц.

У каждого лептона существует соответствующая античастица — антилептон. Многочисленные опыты показали, что вплоть до расстояний порядка  лептоны и анти-лептоны ведут себя как элементарные «точечные» объекты. Именно лептоны вместе с кварками и представляют собой, как сегодня думают, истинно элементарные, или фундаментальные частицы (см. табл. 14).

Все процессы образования и распада лептонов (о некоторых из них говорилось раньше — см. § 233) могут быть объяснены, если считать, что у лептонов также есть определенные сохраняющиеся квантовые числа, называемые «лептонными зарядами» и напоминающие барионный заряд.

Сейчас известно три типа таких лептонных зарядов — электронный (), мюонный () и тау-лептонный ():

1) у электронов  и электронных нейтрино , электронный лептонный заряд , у их античастиц , у всех других частиц ;

2) у мюонов  и мюонных нейтрино  мюонный лептонный заряд равен , у соответствующих антилептонов , у всех остальных частиц ;

3) у тау-лептона  и тау-нейтрино ; у антитау-лептонов ; у всех других частиц .

Во всех исследованных до сих пор процессах все три лептонных заряда сохраняются. В качестве упражнения читателям предлагается с помощью представления о сохраняющихся лептонных зарядах показать, что распады (233.1), (233.2) и реакции (233.3), (233.4) могут происходить в природе, а такие процессы, как , оказываются запрещенными. Действительно, эти и другие переходы, нарушающие законы сохранения лептонных зарядов, никогда не наблюдались ни в одном из многочисленных поисковых экспериментов. Барионные заряды и кварковые ароматы у лептонов отсутствуют, т. е. соответствующие квантовые числа равны нулю. Это связано с тем, что лептоны вообще не участвуют в сильных взаимодействиях.

В табл. 14 мы поместили те частицы, которые сегодня считаются истинно элементарными. Адроны в нее не входят, так как их сложное внутреннее строение установлено вполне надежно, и доказано, что именно кварки, «склеенные» обменом глюонов, являются теми структурными элементами, из которых состоят адроны. Однако эту таблицу надо дополнить еще другими элементарными частицами. Это прежде всего фотоны — кванты электромагнитного поля, которые осуществляют электромагнитные взаимодействия между заряженными частицами. Сюда же мы поместили глюоны, осуществляющие взаимодействия между кварками и вместе с кварками осужденные к «пожизненному заключению» внутри адронов.

Очень важную роль в физике элементарных частиц играют и слабые взаимодействия. Как уже отмечалось, это единственное взаимодействие в природе, которое может менять индивидуальность фундаментальных частиц — лептонов и кварков — и вызывать взаимное превращение между такими частицами (подчиняясь, однако, при этом законам сохранения барионного и лептонных зарядов). Давно уже обсуждался вопрос о том, каков же механизм действия слабых сил. Высказывались предположения, что эти силы обусловлены обменом особыми квантами поля слабых взаимодействий, которые получили название промежуточных бозонов. В отличие от глюонов, промежуточные бозоны, как и фотоны, должны существовать в свободном состоянии. Теория позволила предсказать существование трех таких промежуточных бозонов: - и -частиц. И вот, наконец, в 1982—1983 гг. промежуточные бозоны были обнаружены, и это открытие явилось настоящей сенсацией.

Промежуточные бозоны были зарегистрированы в сложнейших опытах на ускорителе-накопителе со встречными протон-антипротонными пучками, при энергии каждого из сталкивающихся пучков  (сейчас эта энергия увеличена уже до ). Это самая высокая энергия, полученная искусственным путем. Общий вид одной из двух огромных установок, на которых было сделано это замечательное открытие, показан на рис. 422, а на рис. 425 приведен снимок с дисплея ЭВМ, на котором зарегистрировано событие образования и распада промежуточного -бозона.

Массы промежуточных бозонов оказались очень большими — они почти в 100 раз превышают массы нуклонов (см. табл. 14). Это — самые тяжелые частицы, созданные в лаборатории.

Открытие промежуточных бозонов завершило очень важный цикл исследований, который показал, что слабые и электромагнитные силы, несмотря на свое кажущееся различие, тесно связаны между собой и по существу оказываются проявлениями одного и того же взаимодействия, получившего название электрослабого. В настоящее время предпринимаются усиленные попытки установить связи между электрослабым взаимодействием и сильным, а в дальнейшем даже попытаться понять единую природу всех четырех типов сил, которые существуют в природе — сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных.

Рис. 425. Образование и распад промежуточных бозонов. Показан снимок с дисплея ЭВМ, на которой обрабатывались события, зарегистрированные на установке  (рис. 422). Пучки протонов и антипротонов направлены по оси цилиндрической газоразрядной камеры установки, схематически изображенной на дисплее. Показано событие -взаимодействия, в котором образуется тяжелый промежуточный бозон . На снимке зарегистрировано событие (другие частицы). Наблюдается распад : мюон — это почти поперечный трек с большим импульсом. Нейтрино вылетает в противоположном направлении. Оно не может наблюдаться непосредственно, но идентифицируется по кинематике события, так как  уносит большой импульс.

Представление о единстве сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий вступает в противоречие с разделением фундаментальных частиц на кварки, обладающие сильными взаимодействиями, и лептоны, которые такими взаимодействиями не обладают. О некоторой общности кварков и лептонов, возможно, говорит их разбиение на группы, имеющие сходную структуру. Как видно из табл. 14, можно говорить о трех таких группах, или, как их называют, поколениях, фундаментальных частиц: легкие -, -кварки и легкие лептоны , , образуют первое такое поколение; более тяжелые  и -кварки вместе с мюонами и мюонными нейтрино составляют второе поколение; и, наконец, самые тяжелые кварки ( и ) и лептоны () входят в состав третьего поколения. По-видимому, должны существовать какие-то процессы, в которых кварки переходят в лептоны, а различные типы лептонов () также испытывают взаимные превращения. Поиски таких явлений, в которых, хотя и с очень малой вероятностью, но все же имеет место несохранение барионного и лептонных зарядов, представляют огромный интерес для современной науки. Например, сейчас во многих лабораториях мира интенсивно ведутся поиски распадов протонов на более легкие частицы ( и т. д.). Из-за большой массы протона в таких распадах должна выделяться значительная энергия.

Поиски распада протонов проводятся на сложных установках с большими «чувствительными объемами» вещества. Термин «чувствительный объем» означает, что если какой-нибудь нуклон в этом объеме распадается на легкие частицы, то такой распад будет зарегистрирован. Чувствительные объемы существующих и строящихся сейчас установок содержат в себе  нуклонов, а экспозиции на этих установках длятся годами. Для защиты от космического излучения установки располагаются в подземных лабораториях на большой глубине. Пока не удалось надежно зарегистрировать распад протона. Несколько найденных событий — «кандидатов в протонные распады» — могут быть объяснены фоновыми процессами. В этих опытах установлено, что протон, если даже он и не является абсолютно стабильным, имеет огромное время жизни  лет. Это означает, например, что в человеке за всю его жизнь с большой вероятностью не распадается ни один протон. Масштаб жизни протона оказывается огромным даже по сравнению с временем жизни Вселенной ( лет).