Есть и другая теоретическая гравитационная частица, и она прекрасна чуть менее, чем полностью. Гравифотон — это частица, которая создается, когда гравитационное поле проявляется в пятом измерении. Она берет начало из теории Калуцы — Клейна, которая предлагает объединить электромагнетизм и гравитацию в одну силу при условии, что в пространстве-времени есть больше, чем пять измерений. Гравифотон обладал бы характеристиками гравитона, но также принимал бы свойства фотона и создавал то, что физики называют «пятой силой» (ну а вообще есть только четыре фундаментальных силы).
На протяжении веков человечество вгрызалось в гранит науки, пытаясь выяснить точный состав Вселенной. Древние греки первыми предположили существование атомов, которые, по их мнению, были мельчайшими частицами — «строительными блоками» всего сущего. На протяжении 1500 лет это было всем, что мы знали о материи. В 1897 году открытие электрона разрушило научный мир до руин. Оказалось, что точно так же, как молекулы состояли из атомов, атомы состоят из компонентов.
И чем глубже мы смотрели, тем больше ответов, казалось, утекает сквозь наши пальцы. Даже протоны и нейтроны — строительные блоки атомов — изготовлены из еще меньших частиц — кварков. Каждое открытие порождало больше вопросов. Состоит ли время и пространство из россыпей мельчайших частиц, которые даже невозможно увидеть? Возможно. Перед вами десять теоретических частиц, которые могут объяснить все. Если мы их найдем.
Теория суперсимметрии гласит, что у каждой частицы во Вселенной есть противоположная частица-близнец, известная как суперсимметричная частица, суперпартнер или счастица. Таким образом, у каждого кварка есть скварк, который разделяет с первым идеальную симметрию. У каждого фотона есть фотино. И так далее, пока ни одна из 61 известных элементарных частиц не останется без внимания. Что ж, если их так много, почему мы не обнаружили ни одну?
Есть такая теория: в физике элементарных частиц более тяжелые частицы распадаются быстрее, чем более легкие. Если образуется достаточно тяжелая частица, она сломается практически сразу после создания. Если предположить, что счастицы невероятно тяжелые, они должны разрушаться в мгновение ока, пока их суперпартнеры — частицы, которые мы наблюдаем — живут. Это может объяснить, почему во Вселенной наблюдается такой перевес темной материи — счастицы могут содержать темную материю и существовать в поле, которое для нас далеко и ненаблюдаемо.
Наша история началась с Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад. Согласно теории, за миллионные доли секунды после своего рождения Вселенная представляла собой плазму из элементарных частиц – глюонов и кварков. Затем за очень короткий промежуток времени эта плазма остыла, а из ее частиц образовались известные нам протоны и нейтроны. Компанию им составили различные нестабильные частицы неизвестной структуры – так называемые частицы Х, о существовании которых мир узнал в 2003 году. Тогда японский коллайдер Belle предоставил первые свидетельства существования X-частиц. Эти частицы, однако, распадались слишком быстро, так что изучить их структуру физикам не удалось. Теперь же ученые смогли воссоздать материю первых мгновений жизни Вселенной и наконец обнаружили загадочные частицы. Здорово, не так ли? Вот только плохо изученные частицы не вписываются в существующие модели формирования вещества.
«Частица Икс» с незапамятных времен обнаружена внутри Большого адронного коллайдера
Материя состоит из частиц — и точно так же антивещество состоит из античастиц. В этом есть здравый смысл. Античастицы обладают такой же массой, что и нормальные частицы, но противоположным зарядом и противоположным угловым моментом (спином). Похоже на суперсимметрию, но в отличие от частиц, античастицы ведут себя точно так же, как частицы, даже участвуют в создании антиэлементов вроде антиводорода. В принципе, на любую материю найдется антиматерия.
Во всяком случае, должна найтись. В этом-то и проблема — вокруг много материи, а антиматерии не нашли нигде. Только создали искусственным путем. За пределами Большого адронного коллайдера свободное антивещество не существует даже в теории.
Согласно теории Большого Взрыва, изначально было равное количество частиц и античастиц. Вся материя во Вселенной была создана в точке этого взрыва. По умолчанию, все антивещество должно было быть создано в то же время. Другая теория гласит, что в других частях Вселенной антивещество преобладает. Все, что мы видим, самые далекие звезды, состоят из материи. Но наша видимая Вселенная может быть лишь небольшим участком вселенной, где-то там могут быть целые звездные системы из антивещества.
Из чего состоят кварки? Для начала, давайте ознакомимся с масштабами. В ядре атома золота семьдесять девять протонов. Каждый протон состоит из трех кварков. Ширина ядра атома золота — примерно восемь фемтометров в поперечнике. Это восемь миллионных долей нанометра, а нанометр — это одна миллиардная от метра. Кварки очень маленькие, а преоны, в таком случае, должны быть настолько ничтожно малы, что их просто невозможно измерить современными методами.
Есть и другие слова, которые используются для описания теоретических строительных блоков кварков, включая примоны, субкварки, квинки и твидлы, но «преон» приняли лучше всех. И преоны — весьма важная часть теоретической физики, потому что на данный момент фундаментальной частицей остаются кварки. Если выяснится, что они состоят из других частей, это откроет путь к тысячам новых теорий. Например, одна из теорий гласит, что неуловимое антивещество во Вселенной на самом деле содержится в преонах, поэтому все вокруг обладает частичками антиматерии, которая заперта в этом всем. Согласно этой теории, и вы являетесь носителем антивещества — просто вы не сможете ее увидеть, потому что материя складывается из более крупных блоков.
Если вы действительно хотите получить объяснение гравитации, вам нужно углубиться в М-теорию, или мембранную теорию. Мембраны, или браны — это частицы, которые могут курсировать по нескольким измерениям. К примеру, 0-брана — это точечная брана, которая существует в нулевых измерениях как кварк. 1-брана обладает одним измерением — это струна. 2-брана — двухмерная мембрана и так далее. Многомерные браны могут обладать любыми размерами, что приводит к теории о том, что наша Вселенная — это одна большая брана с четырьмя измерениями. Эта брана — наша Вселенная — просто кусок многомерного пространства.
Что касается гравитации, наша четырехмерная брана просто не может содержать ее, поэтому энергия гравитации улетучивается в другие браны, в многомерное пространство; мы просто довольствуемся тем, что осталось, поэтому гравитация кажется такой слабой сравнительно с другими силами.
Разумеется, нетрудно додумать, что есть много бран, движущихся через пространство — бесконечных бран через бесконечное пространство. Отсюда рождаются теории мультивселенной и циклической вселенной. Согласно последней, вселенная подчиняется циклам: она расширяется из-за энергии Большого Взрыва, затем гравитация стягивает все в одну точку. Это стягивание порождает новый Взрыв, и так до бесконечности.
Бозон Хиггса был обнаружен 14 марта 2013 года на Большом адронном коллайдере и после подтвержден, а за его находку присудили Нобелевскую премию. Впервые его существование было предсказано в 60-х годах. Это частица, которая дает массу другим частицам.
Бозон Хиггса родился из поля Хиггса и был предложен в качестве объяснения тому, почему некоторые частицы, которые должны обладать массой, фактически ею не обладают. Поле Хиггса — которое никто никогда не наблюдал — должно существовать во всей Вселенной и предоставлять силу, необходимую для того, чтобы частицы приобретали массу. Бозон Хиггса должен заполнить огромные пробелы в Стандартной модели, весьма популярной и объясняющей практически все (кроме гравитации, конечно).
Бозон Хиггса важен тем, что доказывает существование поля Хиггса и объясняет, как энергия внутри поля Хиггса может проявляться в виде массы. Также он важен, поскольку создает прецедент. До его обнаружения он был обычной теорией. У него была математическая модель, физические свойства, спин — все. Просто нужны были доказательства его существования. И мы его нашли.
И если мы смогли сделать это один раз, кто может поспорить, что любая из этих частиц не может быть реальной? Тахионы, страпельки, гравитоны — эти частицы могут полностью перевернуть нашу картину мира и приблизить нас к пониманию фундаментальных основ мира, в котором мы живем.
На данный момент античастицы представляют собой огромную проблему в современной теоретической физике элементарных частиц. Другой проблемой является гравитация. По сравнению с другими силами, например электромагнетизмом, гравитация — крайне слабая сила. Кроме того, она отлично работает на планетарном уровне — с помощью гравитации легко наблюдать другие звезды и планеты, но на молекулярном уровне ее практически невозможно уловить и там она творит несуразные вещи. В дополнение ко всему прочему, у гравитации нет частиц, которые ее переносят, вроде фотонов, которые переносят свет.
И тут появляется гравитон. Это теоретическая частица, которая должна уместить гравитацию в ту же модель, что и любую другую наблюдаемую силу. Поскольку гравитация оказывает слабое притяжение на каждый объект, вне зависимости от расстояния, она должна быть безмассовой. Но это не проблема — у фотонов нет массы, и они повсюду. Мы зашли так далеко, что можем даже определить точные параметры, которым должен соответствовать гравитон, поэтому если мы найдем частицу — любую частицу — удовлетворяющую этим параметрам, у нас будет гравитон.
Найти гравитон очень важно, поскольку сейчас общая теория относительности и квантовая физика несовместимы. Однако на определенных уровнях энергии, известных как масштабы Планка, гравитация перестает следовать правилам относительности и соскальзывает к квантовым правилам. Поэтому решение проблемы гравитации может быть ключом к единой теории.
- С и Р не симметрии из-за слабого ядерного взаимодействия
- Популярное
- Генетики вывели суперкомара, который нравится самкам и не болеет малярией
- Неандертальцы «наградили» современных европейцев болезнью викингов
- Структура Х-частиц
- Хвосты
- Появление новой волны из резонанса двух других
- Повторная новая оказалась сверхмощным естественным ускорителем частиц
- Как проверить квантовую теорию?
- Сильное ядерное взаимодействие и СР
- Появление новой частицы из аннигиляции двух других
- СР тоже не симметрия
- Рассуждения
- Суперпозиция частиц-Х
С и Р не симметрии из-за слабого ядерного взаимодействия
До 1950-х всё, что было известно физикам – вся химия и атомная физика, все эффекты гравитации и электромагнитного взаимодействия, световые волны и основы атомного ядра – соответствовало миру, симметричному по Р. Но оказывается, что С и Р и близко не являются симметриями законов природы. Они нарушаются так часто, как это возможно, слабым ядерным взаимодействием.
В простейшем (но совсем не единственном) примере участвуют нейтрино. Когда в физическом процессе появляется нейтрино, он всегда создаётся при помощи слабого ядерного взаимодействия. И при возникновении он всегда крутится против часовой стрелки с точки зрения наблюдателя, находящегося в точке, откуда он исходит. (Нейтрино, как и электроны и протоны и многие другие частицы, в некотором смысле всегда крутятся; точнее, у них всегда есть вращательный момент). Иначе говоря, он крутится, как левосторонний винт (рис. 3). (На жаргоне у него будет отрицательная спиральность). Но производимый слабым ядерным взаимодействием нейтрино никогда не крутится как правосторонний винт. Поскольку Р поменяло бы правостороннее и левостороннее местами (как в зеркале), это значит, что слабое ядерное взаимодействие нарушает Р.
В более конкретном примере (рис. 3), когда положительно заряженный пион (адрон, состоящий из верхнего кварка, антинижнего кварка и множества глюонов и пар кварк/антикварк) распадается на антимюон и нейтрино, нейтрино всегда левостороннее и никогда – правостороннее. Это нарушает Р. А когда отрицательно заряженный пион распадается на мюон и антинейтрино, антинейтрино всегда правостороннее. Это различие в процессах, включающее отрицательно и положительно заряженные пионы, нарушает С.
Нарушение Р и С такого типа сейчас уже довольно понятно. Стандартная Модель (уравнения, используемые нами для описания всех известных частиц и взаимодействий), включает его довольно естественным образом, а детали уравнений были тщательно проверены в опытах. Так что, хотя нарушения Р и С стали огромной неожиданностью в 1950-х, сегодня они – стандартная часть физики частиц.
Однако, если мы посмотрим на сами частицы (и не будем вдаваться в детали их взаимодействий), СР (то же самое, что РС) на первый взгляд кажется симметричным. Это потому, что Р превращает спин нейтрино из левостороннего в правосторонний, но С обращает заряд пиона, превращает антимюон в мюон и заменяет нейтрино на антинейтрино; итоговый процесс происходит в нашем мире (рис. 4). Так что какое-то время физики считали, что слабое ядерное взаимодействие сохранит СР, хотя по отдельности оно нарушает и С и Р.
Ещё один способ это увидеть – почитать мою статью о том, как выглядели бы частицы, если бы поле Хиггса было нулевым. Там видно, что, к примеру, электрон-левая и нейтрино-левая частицы, идут в паре и подвержены действию слабого изоспинового взаимодействия, а электрон-правая частица идёт отдельно от нейтрино-правой, и ни одна из них не подвергается слабому изоспиновому взаимодействию. При этом то, что верно для электрон-правой частицы, верно и для позитрон-правой частицы, а что верно для позитрон-правой частицы, верно для электрон-левой. Но Р меняет электрон-левую и электрон-правую частицу, так что очевидно, это не симметрия; С меняет электрон-левую и позитрон-левую, и поскольку позитрон-левая частица не подвержена действию слабого взаимодействия, С тоже не является симметрией. Однако СР меняет электрон-левую и позитрон-правую частицы, а они обе подвержены слабому ядерному взаимодействию.
Популярное
Согласно новому исследованию канадского физика, возраст Вселенной может достигать 26,7 миллиарда лет. Эта гипотеза бросает вызов доминирующей космологической модели и весьма сложно доказуема, но при этом может ответить на некоторые проблемные вопросы ранней Вселенной.
Генетики вывели суперкомара, который нравится самкам и не болеет малярией
До сих пор генно-модифицированных комаров делали такими, чтобы у них было дефектное потомство, безопасное для людей. Однако самки диких комаров не желали спариваться с «дефектными» самцами, что срывало подобные проекты. Новый подход противоположен: теперь ГМ-комары будут выживать эффективнее природных, что и позволит им вытеснить диких сородичей.
Неандертальцы «наградили» современных европейцев болезнью викингов
Наиболее часто состояние, известное как контрактура Дюпюитрена, встречается у жителей Северной Европы и практически не наблюдается у лиц африканского происхождения, за что и получило свое неофициальное название — болезнь викингов. Проведя масштабный метаанализ геномов более полумиллиона человек, международная группа ученых установила, что это заболевание современные люди, вполне вероятно, унаследовали от неандертальцев.
Не получилось опубликовать!
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Что-то пошло не так!
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Структура Х-частиц
Итак, при чрезвычайно высоких температурах — триллионы градусов — протоны, нейтроны и другие подобные им частицы распадаются и растворяются в высокоэнергетической суспензии кварков и глюонов (кварк-глюонная плазма). Один из методов, примененных физиками, стало столкновение тяжелых ионов: столкновение атомных ядер друг с другом на очень высоких скоростях.
Эксперименты на БАК заключались в том, чтобы разбивать тяжелые атомы свинца вместе, которые оставляли после себя следы информации в кварк-глюонной плазме – ее создание стало возможным только в XXI веке, однако обнаружить в ней что-либо чрезвычайно сложно.
Никто раньше не пытался обнаружить X-частицы (3872) при столкновениях тяжелых ионов, так как это очень сложная задача, – рассказали физики в пресс-релизе исследования.
Частица была создана внутри Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе.
Так как ядра атомов содержат скопления протонов и нейтронов, частицы на самом деле состоят из еще более крошечных частиц – кварков. Для образования более крупных частиц, кварки связываются с глюонами – еще более мелкими частицами, действующими как агенты малой ядерной силы.
Некоторые физики полагают, что X(3872) может быть частицей с четырьмя кварками: тетракваркоми. Типичные протоны и нейтроны состоят из трех кварков, но тетракварки странные, и обычно им требуются высокие энергии, чтобы оставаться вместе. В последнее десятилетие физики наблюдали другие примеры тетракварков в ускорителях частиц, подробнее можно прочитать здесь.
Частица была создана внутри Большого адронного коллайдера в ЦЕРН.
Не исключено также, что X-частицы (3872) на самом деле состоят из мезонов. Это еще один тип субатомных частиц, которые состоят из одного кварка и одного антикварка – двойника кварка из антивещества. Мезоны, в свою очередь, иногда могут мимолетом оказаться на Земле.
Это происходит, когда высокоэнергетические космические лучи сталкиваются с известной нам материей. Однако более крупной частицы, состоящей из множества мезонов, физики никогда не видели.
Как объясняют авторы научной работы, если X (3872) созданы из мезонов, то перед нами признак того, что Вселенная изобиловала такими «экзотическими» частицами сразу после своего рождения. «В ближайшие годы у нас будет больше данных, и мы узнаем, какие частицы производила Вселенная в самом начале своего пути», — отмечают исследователи.
Не пропустите: Что нужно знать о новой квантовой теории времени?
Хвосты
1. Если член АВ возмущает поле С без резонанса – если 2 ν ≠ νmin — что произойдёт? Вы можете вспомнить, что если вы толкаете качели с ребёнком не с той частотой, или прикладываете к шару на пружине силу, колеблющуюся с частотой, не совпадающей с собственной частотой колебаний, вы получите неровное колебание с малой амплитудой. В текущем контексте то же самое происходит с полем С. Поле С как-то поведёт себя, но это не приведёт к появлению хорошо ведущего себя кванта С. Оно просто немного поволнуется. Это плохое возмущение – один из примеров т.н. «виртуальных частиц С» – но это не частица (квант волны поля С), несмотря на её название. Её масса отличается от массы частицы С; она может быть крупнее или мельче. В отличие от частицы С она не существует сама по себе какое-то продолжительное время. И она не удовлетворяет условиям по амплитуде, которым должны удовлетворять настоящие кванты. Вместо этого, в отличие от существующей какое-то время частицы С с рис. 2, нерезонансное возмущение существует только тогда, когда А пересекается с В.
Но это не означает, что она ни на что не влияет. К примеру, она может заставить частицы А и В отскочить друг от друга.
Вообще, в трёхмерном пространстве отскок, или рассеяние, может привести к тому, что А движется в любом направлении, а В – в противоположном. Примеры таких процессов включают рассеяние электрона и позитрона благодаря виртуальному фотону, или рассеяние кварка и антикварка благодаря виртуальному глюону.
В присутствии других полей, D и Е, взаимодействующих с С и участвующих в уравнении движения С
Могут происходить гораздо более интересные процессы:
Именно так: частицы А и В могут аннигилировать благодаря виртуальной частице С, и привести к появлению новых частиц D и Е. Это второй способ создания новых частиц! К примеру, электрон может столкнуться с позитроном, аннигилировать через виртуальный фотон (помним, что это означает «через возмущение фотонного поля на частоте, не совпадающей с резонансной»), и превратиться в мюон и антимюон, или кварк и антикварк. Нижний кварк и верхний антикварк могут столкнуться, аннигилировать через виртуальную W-частицу, и превратиться в электрон и антинейтрино. Или два глюона могут столкнуться, аннигилировать через виртуальный глюон, и превратиться в верхний кварк и верхний антикварк (это самый распространённый способ получения верхних кварков на БАК).
2. Что, если две волны в полях А и В обладают разными частотами, νA и νB? При подходящих частотах частицы С всё ещё могут появиться, но условия резонанса будут другими, и созданная частица С не будет стационарной. Давайте разберёмся.
Если у них разные частоты, у двух сталкивающихся безмассовых квантов будут
• Различные энергии
• Различные импульсы
(тут плюс означсет вправо, минус – влево).
Сколько энергии требуется для создания движущейся частицы С? Для этого нужно больше энергии, чем для покоящейся – как у любой массивной частицы, её энергия и импульс должны удовлетворять
Что означает, что EС = mc2, если pС = 0, или больше, если импульс ненулевой. Закон сохранения энергии и импульса говорит нам, что:
Откуда я взял последнее уравнение? Для безмассовой частицы p = E/c, а для наших сталкивающихся частиц А и В их импульсы направлены противоположно, поэтому они отличаются по знаку. Подставим это в предыдущее уравнение и получим:
Члены EA2 и EB2 взаимно уничтожаются, и переведя члены EA EВ в левую часть, получим:
Поделив на h2 и используя соотношение m = hνmin / c2, получим условие резонанса:
Что корректно сводится, когда νA = νВ, до уравнения для неподвижной частицы С, 2 ν= νmin. Если это условие не удовлетворяется, то частицу С создать нельзя. Если удовлетворяется, то можно.
3. Я отметил, что точно так же, как уравнение движения для поля С содержит член АВ, так и уравнение для В содержит член АС. Вспомним эти уравнения:
Так что, если наложение волн А и В приводит к появлению волны в поле С, делая его ненулевым, как на рис. 1, не надо ли нам волноваться по поводу того, что эта новая волна С наложится на существующую волну А и приведёт к изменению в поле В? Я отвечал, что «да, но мы можем этим пренебречь». Пренебрегать мы можем из-за комбинации двух причин.
Во-первых, из-за числа «y», появляющегося перед перемножениями АВ и ВС. Воздействие на поле С члена АВ пропорционально y, умноженному на А, умноженному на В. Воздействие на поле В члена АС также пропорционально y, умноженному на А, умноженному на С, но это в свою очередь будет равно y2, умноженному на А, умноженному на А, умноженному на В. Так что пока y меньше 1, y2 будет меньше у, поэтому воздействие на В члена АС мало по сравнению с воздействием на С члена АВ – по крайней мере, для небольших волн А и В. На практике эти волны обычно небольшие: частица А – один квант волны в поле А, поэтому волна у А обладает малой амплитудой.
Из чего вытекает вторая, более странная, но более убедительная причина: мы видели, что если один квант А встречается с одним квантом В и превращается в один квант С, то волны А и В исчезают (аннигилируют). После создания С уже нет никакой волны А, поэтому АС равно нулю, то есть на поле В воздействия не происходит.
И последний подвох: хотя я не могу доказать это без дополнительных выкладок, даже если у А и В волны состоят из одного кванта, как на рис. 2, то процесс на рис. 2 был бы гораздо более сложным, если бы y было гораздо больше 1. Так что простота рассказанной мною истории требует небольших значений у. В природе у большинства нелинейных членов в физике частиц у обычно маленькие, поэтому то, что я рассказал, относится к большинству практически применимых ситуаций. Исключения очень интересные – они приводят к созданию таких сложных объектов, как протоны и другие адроны.
Появление новой волны из резонанса двух других
Чтобы получить представление о том, насколько интересным всё может стать, возьмём три поля, A(x,t), B(x,t), C(x,t), и упрощённую ситуацию. Допустим, поля A и B примерно удовлетворяют уравнениям класса 0 (и содержат безмассовые кванты), а поле C удовлетворяет уравнениям класса 1 (содержит волны с минимальной частотой νmin, и соответственно, кванты массой m = h νmin / c 2, где h – постоянная Планка). А ещё мы добавим в их уравнения нелинейные члены. Конкретно вот так (для краткости будем писать «A» вместо «A(x, t)», и так далее, c – скорость света, y – число, обычно меньшее 1):
Мелкий шрифт: я добавил нелинейные члены во все три уравнения потому, что наличие таких членов в одном из уравнений и отсутствие их в других приведёт к противоречиям; к примеру, энергия не будет сохраняться. Для описываемого мною процесса нам нужно будет рассмотреть только нелинейные члены в уравнениях движения поля С.
Посмотрим, что произойдёт с таким набором уравнений, если волна поля А встретится с волной поля В. В принципе мы можем догадаться об этом, применив метод пристального разглядывания. Если в поле А есть волна, тогда A(x,t) ненулевое вблизи её. Когда волны полей А и В перекрывают друг друга, то результат умножения A(x,t) и В(x,t) становится ненулевым. Теперь обратимся к уравнению для С: изменения поля С во времени и в пространстве (два члена в левой части) связаны с произведением А и В (один из членов в правой части).
Так что даже если поле С нулевое, когда A(x,t)B(x,t) становится ненулевым, то и C(x,t) вскоре станет ненулевым на том же участке. Короче, в результате встречи волн А и В произойдёт некое малое возмущение поля С.
Мелкий шрифт: вас может заинтересовать – после того, как С станет ненулевым, станет ли член A(x,t) C(x,t) в уравнении движения для поля В причиной дополнительного возмущения поля В. Ответ – да, но этот эффект будет ещё меньшим. Пока мы его проигнорируем, а позже узнаем, почему так стоило поступить.
На рис. 1 показана волна с частотой ν в поле А (зелёная), встречающаяся с волной частоты ν поля В (синяя). Я уравнял частоты для простоты и симметрии. Позже мы увидим, почему другие случаи сводятся к этому. Скорость ν можно оценить, наблюдая за зелёной волной и за вертикальной чертой, находящейся в одной точке пространства и колеблющейся вместе с волной.
Ниже оранжевым показано произведение A(x,t)B(x,t); видно, что оно становится ненулевым при наложении двух волн. Также видно, что оно колеблется во времени. Можно увидеть (сравнивая её с колеблющейся вертикальной чертой), что A(x,t)B(x,t) колеблется в два раза быстрее. Запомните этот важный факт. В общем случае, если волна частоты ν1 встречается с волной частоты ν2, то их произведение будет колебаться с частотой ν1 + ν2. И ещё одно: можно заметить, что колебания АВ не двигаются вправо или влево, они остаются на месте. Позже мы увидим, почему это важно.
Как же ненулевое значение АВ влияет на С? Ответ сильно зависит от частоты ν. Сначала я дам вам готовый ответ, а потом примерное объяснение причины. Это, по сути, резонанс. Резонанс – неотъемлемое явление всех колебаний (вибраций), включая волны. Я уже описывал, как шар на пружине колеблется с естественной частотой, и как колебательная сила, толкающая шар, может привести к резонансу, если частота колебаний силы совпадёт с естественной частотой шара на пружине.
Поняв резонанс, вы увидите, что поле С, колеблясь с минимальной частотой и нулевой горизонтальной скоростью, ведёт себя, как шар на пружине, а АВ ведёт себя как колебательная сила, пытающаяся заставить мяч колебаться. Поэтому, явление резонанса возникает, если частота колебаний АВ — 2ν – оказывается минимальной частотой поля С – νmin. Конкретнее:
• Если 2 ν не равно νmin — если силы не в резонансе – тогда на участке, где АВ не равно нулю, С начнёт колебаться нерегулярно, с небольшой амплитудой.
• Если 2 ν = νmin — если сила в резонансе – тогда С будет колебаться плавно, с большой амплитудой, на участке, где АВ не равно нулю, и продолжит колебаться даже тогда, когда АВ снова станет равным нулю.
Рис. 1 показывает только резонансную ситуацию 2 ν = νmin. Видно, что когда волна А проходит волну В, они оставляют после себя стационарную волну С, колеблющуюся с частотой νmin. Мелкий шрифт: на рис. показан набросок, не точное решение уравнений. У точного решения будет множество мелких сложных особенностей, которые затмят основной физический смысл, так что я удалил их для ясности. Позже мы рассмотрим ситуацию без резонанса, которая гораздо сложнее, но и важнее для физики.
Повторная новая оказалась сверхмощным естественным ускорителем частиц
Вспышки новой RS Змееносца способны разгонять космические частицы до теоретического предела.
Гамма-телескоп H.E.S.S. помог наблюдать вспышку повторной сверхновой RS Змееносца в 2021 году от начала и до конца, уловив поток частиц сверхвысоких энергий, которые ускорены этим взрывом почти до теоретического предела. Об этом сообщается в статье, опубликованной в журнале Science. Также о работе рассказывается в пресс-релизе немецкого исследовательского центра DESY, который управляет H.E.S.S.
Некоторые звезды могут резко и ярко вспыхивать с интервалом в несколько десятков лет. Эти вспышки не столь мощны, как у сверхновых: яркость звезды временно подскакивает «всего лишь» на десять звездных величин, и сама она остается целой. Классический пример подобной повторной новой — RS Змееносца, которая вспыхивает каждые 15-20 лет. Как и некоторые другие такие звезды, RS Змееносца — двойная система, состоящая из красного гиганта и белого карлика, находящихся на совсем небольшой дистанции, примерно как Земля и Солнце.
Считается, что ее вспышки связаны с накоплением вещества, которое более плотный карлик перетягивает от своего рыхлого раздувшегося соседа. Когда массы этого вещества становится достаточно, в нем запускаются термоядерные процессы, быстро приводящие к взрыву и вспышке. Яркость RS Змееносца ненадолго подскакивает в сотню тысяч раз выше, чем у Солнца. Созданная взрывом ударная волна распространяется в окружающем систему облаке, сталкивается с его частицами и ускоряет их, отправляя в дальний полет на огромной скорости.
Некоторые из этих частиц в конце концов влетают в земную атмосферу. Ударяясь с частицами в ней, они рождают целый ливень короткоживущих частиц, излучение которых можно наблюдать с помощью черенковских гамма-телескопов. Именно так работающие в Намибии телескопы H.E.S.S. проследили за последней вспышкой RS Змееносца, зафиксированной в августе 2021 года. Благодаря H.E.S.S. авторам удалось проанализировать вспышку с самого начала и вплоть до месяца после, когда поток высокоэнергетических частиц, наконец, упал.
Работа показала, что сила термоядерных взрывов в RS Змееносца превращается в энергию ускоренных частиц с исключительной эффективностью, близкой к теоретическому пределу. Частица, ускоренная этой новой, может нести более 100 гигаэлектронвольт — в сотни тысяч раз больше, чем у других подобных систем. Энергия выброшенных ядерным взрывом альфа-частиц в тысячи раз ниже.
Любопытно, что пик появления самых «энергичных» частиц у RS Змееносца зафиксировали на пару дней позднее, чем пик не столь мощных частиц. По-видимому, именно такой срок нужен вспышке на то, чтобы ее ударная волна набрала полную силу.
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Как проверить квантовую теорию?
Большой адронный коллайдер в ЦЕРН позволил исследователям проводить по-настоящему удивительные эксперименты, проверяя верна ли квантовая теория. Так, с помощью БАК был обнаружен знаменитый бозон Хиггса, а обнаружение предсказанных частиц Х стало настоящим прорывом.
В поисках таинственных частиц неизвестной структуры, физики из Массачусетского технологического института (MIT) создали в коллайдере кварк-глюонную плазму, сталкивая на огромной скорости ионы свинца. Эти столкновения породили десятки тысяч самых разных частиц. Но как среди них поймать Х-частицы, которые, только возникнув, мгновенно распадаются?
Постепенно возникли частицы и взаимодействия, образующие наш Мир.
Используя методы машинного обучения для анализа более 13 миллиардов столкновений тяжелых ионов, ученые смогли точно определить 100 частиц «X» – особого типа частиц под названием X (3872), названных в честь предполагаемой массы частицы. Каждое из этих 13 миллиардов столкновений, вероятно, породило десятки тысяч заряженных частиц.
С помощью программы, которая смогла просеять чрезвычайно плотный набор данных, ученым удалось выбрать ключевые переменные, которые, вероятно, были результатом распада X-частиц. Они увеличили масштаб сигналов и наблюдали пик при определенной массе, указывающий на их присутствие. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letter.
Таинственная частица откроет нам представление о самых ранних моментах существования Вселенной.
Результаты нового исследования позволят ученым заглянуть в самое сердце Большого взрыва. Кварк-глюонная плазма заполнила вселенную в первые миллионные доли секунды ее жизни, еще до того, как сформировалось то, что мы называем материей — молекулы, атомы или даже протоны или нейтроны, – объясняют физики.
Сильное ядерное взаимодействие и СР
Очень неожиданно, что СР не нарушается значимым образом сильным ядерным взаимодействием, и никто не знает, почему это так. Мы знаем, что сильное взаимодействие не нарушает СР очень сильно из-за определённого свойства нейтрона, известного, как электрический дипольный момент.
Нейтрон – электрически нейтральный адрон, очень похожий на протон. Кварки, антикварки и глюоны, составляющей нейтрон, удерживаются вместе сильным ядерным взаимодействием. По поводу любого электрически нейтрального момента можно задать интересный вопрос – есть ли у него электрический диполь.
Магнит, такой, с которым вы играли в детстве, представляет собой магнитный диполь, у которого есть северный и южный полюса (рис. 5). Магнитный монополь был бы либо северным, либо южным полюсом; но вы никогда такого не видели, и никто не видел. Электрический же диполь обладает нулевым электрическим зарядом, но с одной стороны у него есть положительный, а с другой – отрицательный заряды. Это может быть такой простой случай, как атом водорода, с электроном в роли отрицательного заряда и протоном в роли положительного.
Для простого электрического диполя, состоящего из двух зарядов, разделённых расстоянием D, один из которых имеет заряд q, а другой — -q, электрический дипольный момент определяется просто как q × D. Отметим, что если положительный и отрицательный заряд сидят в одном месте, то у такого объекта нет дипольного момента; заряды должны быть разделены в пространстве, чтобы он «поляризовался». Атом водорода обычно не поляризован. Но у многих молекул есть дипольный момент, хотя они и электрически нейтральны. К примеру, у молекулы воды H2O есть дипольный момент величиною в 3,9 × 10-8 e см, где «е» – заряд протона (-е – заряд электрона), а см – 1 сантиметр. Для сравнения, это лишь чуть меньше того, что можно получить, разведя электрон и протон на расстояние примерно равное размеру молекулы воды (у такого диполя дипольный момент был бы порядка 9 × 10-8 e см). Это говорит о том, что электроны двух атомов водорода в H2O проводят много времени с атомом кислорода.
Насколько же большим может быть дипольный момент нейтрона? Радиус нейтрона равен порядка 10-13 см, так что можно было бы ожидать, что D будет примерно такой же. И состоит он из кварков, антикварков и глюонов; глюоны электрически нейтральны, но у кварков и антикварков есть электрические заряды: 2/3 е (верхний кварк), –1/3 е (нижний кварк), –2/3 е (верхний антикварк) и +1/3 е (нижний антикварк). Так что можно было бы ожидать, что q будет примерно таким. Получается, что можно было бы ожидать, что величина электрического дипольного момента нейтрона будет находиться в пределах 10-13 е см. Это в миллион раз меньше дипольного момента молекулы воды, в основном потому, что радиус нейтрона меньше в миллион раз.
На самом деле некоторые неочевидные эффекты дают нам оценку ещё меньшего размера. Реальное ожидание находится в районе 10-15 е см.
Но если у нейтрона есть электрический дипольный момент, это нарушало бы Т, а значит и СР, если СРТ можно считать хотя бы приблизительной симметрией (это также нарушает и Р). Так что, если бы СР и СРТ были бы точными симметриями, тогда электрический диполь нейтрона должен был бы быть нулевым.
Конечно, нам уже известно, что СР не является точной симметрией; её нарушает слабое ядерное взаимодействие. Но слабое взаимодействие такое слабое (по крайней мере в отношении нейтронов), что оно может придать нейтрону электронный дипольный момент порядка 10-32 е см. Это гораздо меньше, чем мы можем измерить! Так что, для наших целей, он может считаться и нулевым.
Но если сильное взаимодействие, удерживающее нейтрон вместе, нарушает СР, тогда мы ожидаем, что величина электрического дипольного момента будет равной 10-15 е см. Однако же эксперимент показывает, что электрический дипольный момент нейтрона меньше, чем 3 × 10-26 е см! Это в десять тысяч миллионов раз меньше ожидаемого. Поэтому сильное ядерное взаимодействие не нарушает СР так сильно, как предполагалось.
Почему же оно настолько меньше ожидаемого? Никто не знает, хотя предположений было много. Эта загадка называется сильной проблемой СР и является одной из трёх величайших проблем, мучающих физику частиц, наряду с проблемой иерархии и проблемой космологической константы.
Конкретно проблема в следующем. Если записать теорию сильного ядерного взаимодействия – уравнения для глюонов, кварков и антикварков, под названием QCD – то в этих уравнениях будут разные параметры, а именно:
• Объединяющая сила сильного ядерного взаимодействия,
• массы разных кварков,
• тета-угол, не влияющий на диаграммы Фейнмана, но, тем не менее, определяющий эффекты различных тонких процессов (квантовое тунеллирование, инстантоны, псевдочастицы) физики глюонов.
Стоп, что? Что это за последний пункт? Ну, этот дополнительный параметр QCD был открыт в 1970-х (это одна из областей, в которых прославился Александр Поляков, недавно получивший премию). Сама проблема слишком технического характера, чтобы описывать её здесь, но достаточно сказать, что если тета-угол не равен 0 или π, тогда сильное ядерное взаимодействие нарушает СР. Точнее говоря, СР нарушает определённая комбинация из тета-угла и масс различных кварков (конкретно, произведение комплексных фаз их масс). И два эти параметра (тета-угол и массы кварков) не имеют очевидной связи – так как же они комбинируются так, что идеально компенсируются? Однако, по какой-то причине их комбинация равна нулю, или, по меньшей мере, в десять миллиардов раз меньше, чем могла бы быть. Очевидных причин этому нет.
Этой загадке возрастом почти 40 лет могут быть следующие объяснения:
• возможно, верхний кварк не имеет массы (это очень сложно проверить, поскольку напрямую её измерить нельзя; непрямые методы давно говорят о том, что его масса в несколько раз превышает массу электрона, но некоторые тонкости не позволяют интерпретировать эти методы с полной определённостью).
• Возможно, существует аксионное поле, удаляющее этот эффект; эта идея предсказывает существование частицы аксион, которую ищут уже более 30 лет, но пока не нашли. Аксион, кстати, также мог бы играть роль тёмной материи Вселенной.
Есть и пара других вероятных решений этой проблемы, но здесь я их описывать не буду; к сожалению, в целом у них нет никаких явных экспериментальных последствий, которые можно было бы проверить в ближайшем будущем.
Появление новой частицы из аннигиляции двух других
Я только что продемонстрировал вам, что нелинейные члены АВ в уравнении С могут привести к тому, что наложение волн А и В породит колебания поля С, если сумма частот полей А и В равна минимальной частоте поля С. Но что, если у этих волн была очень маленькая амплитуда? Что может случиться, если один квант поля А встретится с одним квантом поля В?
• Если частоты АВ входят в резонанс с полем С, тогда может возникнуть квант поля С, то есть реальная частица С, а кванты А и В исчезнут – «аннигилируют».
• Также кванты А и В могут просто пройти друг мимо друга, без создания частицы С.
• Законы квантовой механики предполагают, что вероятность создания частицы С пропорциональна квадрату числа y, которое перемножается с АВ в уравнении движения С.
• Если частоты в резонанс не входят, реальная частица С не появится. Однако в поле С может возникнуть временное возмущение, пример того, что часто называют «виртуальной частицей» С, и в этом случае кванты А и В могут исчезнуть. Что получается в результате такого возмущения? Я частично описал этот процесс в конце статьи, в разделе «хвосты».
Таково общее положение вещей. Давайте углубимся в детали.
Что для частиц, то есть квантов полей А, В и С означает быть в резонансе или не в резонансе? Стоит помнить, что энергия кванта связана с его частотой благодаря уравнению E = h ν. Так что переведём наше обсуждение волн в обсуждение частиц.
Допустим, что наши волны на полях А и В состоят каждая из одного кванта. Эти кванты безмассовые, поскольку А и В удовлетворяют уравнениям класса 0. Точнее, линейные члены в их уравнениях движения такие же, как у уравнений класса 0. Поскольку у квантов А и В одна частота, они обладают одинаковой энергией, E = h ν. Поскольку импульс безмассового кванта равен p = E/c, у квантов А и В будут импульсы, равные по величине h ν/c, но противоположные по направлению, поскольку один из них движется, влево, а другой – вправо. Следовательно:
• Общая энергия двух квантов вместе составит 2hν.
• Общий импульс двух квантов вместе будет нулевым.
Поскольку энергия и импульс сохраняются, общая энергия после столкновения двух квантов останется равной 2hν, а общий момент останется нулевым.
В случае с волнами мы видели, что поскольку уравнение для С содержит член вида АВ, существует резонанс, когда частота АВ (работающая, как колебательная сила), совпадает с минимальной частотой С (работающим, как шар на пружине). Переведём это утверждение в кванты.
Частота АВ будет 2 ν, поэтому энергия произведения А и В, когда волны А и В состоят из одного кванта, равна сумме энергий А и В.
Минимальная частота С равна νmin, что значит, что у стационарного кванта поля С импульс равен 0, а энергия
Где m – масса кванта С.
Для резонанса требуется 2 ν = νmin, то есть:
Короче говоря, резонанс происходит, когда суммы равных энергий частиц А и В (у которых в нашем случае одинаковые по величине и противоположные по направлению импульсы) как раз хватает для создания стационарной частицы С! В процессе происходит аннигиляция частиц А и В – их энергия полностью уходит в создание частицы С. Это показано (схематично) на рис. 2, который вам нужно сравнить с рис. 1.
СР тоже не симметрия
Но в 1960-х оказалось, что СР тоже нарушается слабым ядерным взаимодействием. Это снова стало сюрпризом, на сегодня понятным, но всё ещё исследуемым нами. Вот эта история вкратце.
Большинство адронов (частиц, состоящих из кварков, антикварков и глюонов), почти мгновенно распадаются посредством сильного ядерного взаимодействия, за промежутки времени меньше, чем триллионная от триллионной доли секунды. Один адрон, протон, стабилен; нейтрон сам по себе живёт 15 минут. (Атомные ядра, состоящие из протонов и нейтронов, часто тоже называют адронами, но лично я предпочитаю называть их «наборами адронов»). Но у нескольких адронов, имеющих историческую и практическую важность, время жизни хоть и малое, но не очень – где-то от миллиардной от триллионной доли секунды до миллиардной доли секунды – и распад большинства из них происходит из-за слабого ядерного взаимодействия (иные же распадаются через электромагнитное взаимодействие). И у некоторых из них – особенно мезонов, содержащих один нижний кварк или один нижний антикварк – были измерены распады, нарушающие СР. Другие признаки нарушения СР есть в осцилляциях между двумя адронами, похожих на нейтринные осцилляции.
Такой тип нарушений СР весьма интересен потому, что происходит естественным образом там, где существует три или более аромата или поколения верхних кварков (верхний, очарованный и истинный) и три аромата нижних кварков (нижний, странный и прелестный). Как указали Кобаяши и Маскава, в версии Стандартной Модели, содержащей только два поколения, не могло быть такого нарушения СР; у него должна была бы быть совершенно другая причина. Поскольку они наблюдали это гораздо раньше обнаружения третьего поколения частиц, они, по сути, предсказали необходимость существования третьего поколения, за что впоследствии и были награждены нобелевской премией по физике в 2008 году (вместе с Намбу за его большую работу в других областях).
Пока что нет признаков нарушения СР, имеющих природу, отличную от определённой Кобаяши и Маскавой. Но если существуют частицы и взаимодействия кроме известных нам по Стандартной Модели, могут существовать и другие условия, где нарушается СР.
Однако даже внутри Стандартной Модели содержится одна большая загадка.
Рассуждения
Ещё один процесс, представляющей собой ту же идею, только обращённую во времени – распад частиц. Распад частицы Хиггса на два фотона или Z-частицы на кварк и антикварк по сути происходит так, как анимация на рис. 2, идущая в обратном направлении.
Суперпозиция частиц-Х
По мнению ученых, которые не принимали участия в исследовании, частицы X(3872) могут и вовсе оказаться суперпозицией обычной пары очаровательных кварков или тетракварков, либо молекулами. К сожалению, экспериментальные неопределенности по-прежнему велики и не позволяют делать убедительные выводы сразу по нескольким причинам. Однако сам факт того, что физики смогли измерить состояние X (3872) при столкновении тяжелых ионов, является чрезвычайно важным открытием.
Явление при котором крошечные квантовые частицы находятся в двух местах одновременно, называется квантовой суперпозицией. Так как квантовая механика дисциплина сложная и мало понятная, речь в ней идет не о действиях, а состояниях. Например, когда электрон или фотон находится в суперпозиции, то делает все сразу, как бы накладываясь друг на друга будучи при этом и частицей и волной одновременно.
Теперь, определив сигнатуру X-частиц, физики могут определить ее внутреннюю структуру: протоны и нейтроны состоят из трех тесно связанных кварков, но исследователи считают, что частица X будет выглядеть совершенно иначе. По крайней мере, они знают, что новая частица содержит четыре кварка, но как они связаны сегодня неизвестно.
В будущем кварки и глюоны в плазме можно будет использовать, чтобы разбить частицу на части и посмотреть, что находится внутри.
Сейчас исследователи продолжают работу над сбором большего количества данных. «В ближайшие несколько лет мы соберем гораздо больше информации. Это расширит наше представление о типах частиц, которые в изобилии рождались в ранней Вселенной,» – отмечают физики.
Этот эксперимент будет пополнен и другими данными благодаря работе космического телескопа Джеймс Уэбб. Этот новейший астрономический инструмент способен заглянуть внутрь Большого взрыва. Так или иначе, нам с вами впору готовиться к величайшим открытиям, способным объяснить сложную структуру Вселенной. Подробнее о том, как и когда Джеймс Уэбб начнет свою научную деятельность, мы рассказывали в этой статье, рекомендуем к прочтению.