Рождение и распад Z - базонов

 

Взаимодействие фундаментальных частиц осуществляется за счет

4 типов взаимодействий: гравитационного, сильного, электромагнит-

ного и слабого. Гравитационные силы практически не проявляются

в физике частиц, например, интенсивность гравитационного взаи-

модействия двух протонов составляет около интенсивности их

электромагнитного взаимодействия. Порядок величин констант вза-

имодействий, приведенных в таблице 15, соответствует энергии вза-

имодействия E < 1 ГэВ. В области более высоких энергий величины

констант взаимодействия зависят от энергии.

В дальнейшем будут обсуждаться три типа фундаментальных

взаимодействий: сильное, электромагнитное и слабое.

                                                                                                                                Таблица 5

Калибровочные бозоны	Масса, ГэВ	J, спин	Р, четность	I, изоспин	Основные моды распада, %	Ширина распада, ГэВ
	0	1	-1	0,1	стабилен
8 g	0	0	-1	0	стабилен
	80.41± 0.10	1			hadrons, 68% e+10.9% μ+10.2% 11.3%	2.06± 0.06
Z	91.187± 0.007	1			hadrons,70% 20% e+e−, 3.37% , 3.37% , 3.36%	2.490± 0.007

 

Взаимодействия фундаментальных фермионов осуществляются

за счет обмена переносчиками взаимодействия - фундаментальны-

ми (или калибровочными) бозонами. Взаимодействие частиц, имею-

щих электрический заряд, происходит посредством обмена кванта-

ми электромагнитного поля _ фотонами (или квантами). Фотон

электрически нейтрален. Сильное взаимодействие осуществляется

за счет обмена глюонами (g) - электрически нейтральными безмас-

совыми переносчиками сильного взаимодействия. Глюоны переносят

цветовой заряд (смотри ниже). В слабом взаимодействии принима-

ют участие все лептоны и все кварки. Переносчиками слабого взаи-

модействия являются массивные W- и Z-бозоны. Существуют поло-

жительные -бозоны и отрицательные W−-бозоны, являющиеся

античастицами по отношению друг к другу. Z-бозон электрически

нейтрален.

Одной из задач физики является объединение различных взаимо-

действий в рамках единого описания. В 1960-х годах слабое и элек-

тромагнитное взаимодействия были объединены в единую теорию

электрослабого взаимодействия. Теория, описывающая с единых по-

зиций электромагнитное и слабое взаимодействия кварков и лепто-

нов, называется Моделью электрослабого взаимодействия Глэшоу-

Вайнберга-Салама. Объединение происходит при энергиях порядка

энергии покоя Z-бозона, т.е. при энергиях порядка 90 ГэВ. Модель

электрослабого взаимодействия вместе с КХД составляют Стандартную Модель (СМ) взаимодействия элементарных частиц. В настоя-

щее время нет ни одного экспериментального факта, противоречаще-

го предсказаниям СМ. Возможно, что процесс дальнейшего объеди-

нения взаимодействий может быть решен при энергиях, превышаю-

щих на 10–12 порядков энергии, доступные на современных ускори-

телях. При таких больших энергиях теоретически оказывается воз-

можным свести к одному взаимодействию электрослабое и сильное

взаимодействия. Такая теория называется Теорией Великого Объ-

единения (ТВО). Точнее, существует целый ряд таких теорий. Для

того, чтобы сказать, какая из множества версий (если она вообще ре-

ализуется) наиболее адекватно описывает природу, требуется много

дополнительной экспериментальной информации. Часть такой ин-

формации будет возможно получить на установке ATLAS.

В ТВО, помимо известных калибровочных бозонов - переносчи-

ков сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, возни-

кают X и Y калибровочные бозоны. Взаимодействие, происходящее

при помощи Х- и Y-бозонов, по современным теоретическим пред-

ставлениям должно нарушать законы сохранения лептонного и ба-

рионного числа, и, как следствие, могло бы приводить к распаду

протона. Такие распады должны происходить крайне редко, иначе

сегодня наш мир не существовал бы. Оценки показывают, что пе-

риод полураспада протона превышает лет. Это означает, что

энергии покоя Х- и Y-бозонов должны превышать ГэВ. На со-

временных ускорителях прямое наблюдение столь тяжелых бозонов

невозможно. Для поиска распада протона строятся огромные уста-

новки, содержащие сотни и тысячи тонн вещества (обычно воды) и

погруженные в это вещество детекторы (обычно, черенковские счет-

чики).

Теории суперсимметрии (СУСИ-теории) служат еще одним воз-

можным кандидатом на единую теорию взаимодействия фундамен-

тальных частиц. В СУСИ-теориях не делается различия между ча-

стицами с целым и полуцелым спинами. Каждой частице с це-

лым спином ставится в соответствие частица с полуцелым спином

и наоборот. Такие частицы называются суперпартнерами. В рамках

СУСИ-теорий в общую схему взаимодействия возможно включение

гравитации, что представляется трудной задачей в ТВО. Основным

недостатком СУСИ-теорий является то, что из всех открытых к на-

стоящему времени фундаментальных частиц ни одна не может рас-

сматриваться как суперпартнер другой. Таким образом, число фун-

даментальных частиц сразу удваивается, причем половина их не об-

наружена экспериментально.

В CERN с осени 1995 года ведутся эксперименты по обнаружению

суперпартнеров W-бозонов, а в лаборатории им. Ферми _ кварков

и глюонов. Возможно, что наилегчайшие из нейтральных суперсим-

метричных частиц могут составлять до 90% темного вещества во

Вселенной. Если СУСИ-теория верна, то в экспериментах на детек-

торах ATLAS и CMS становится возможным обнаружить некоторые

легчайшие суперсимметричные частицы.

Одной из важнейших целей создания установок ATLAS и CMS

является обнаружение хиггсовских частиц и изучение их свойств.

Существование бозонов Хиггса чрезвычайно важно для физики эле-

ментарных частиц. По современным теоретическим представлениям,

хиггсовские бозоны имеют прямое отношение к концепции проис-

хождения масс элементарных частиц - фундаментальному вопросу

современной физики. Примечательно, что этот вопрос не поднимал-

ся до тех пор, пока не появилась Стандартная Модель.

Стандартная Модель предполагает, что существует еще одно по-

ле, которое практически неотделимо от пустого пространства. Его

принято называть полем Хиггса. Считается, что все пространство

заполнено этим полем, и что частицы приобретают массу путем вза-

имодействия с ним. Те из них, которые сильно взаимодействуют с

полем Хиггса, являются тяжелыми частицами, а слабовзаимодей-

ствующие - легкими. Этот эффект аналогичен эффекту движения

тела в вязкой жидкости, когда оно за счет взаимодействия с жидко-

стью приобретает дополнительную эффективную массу. Еще один

пример - электрон в кристалле. Из-за электромагнитного взаимо-

действия с атомами кристаллической решетки электрон приобретает

эффективную массу, отличную от массы свободного электрона.

В силу корпускулярно-волнового дуализма полю Хиггса должна

соответствовать, по крайней мере, одна частица - квант этого поля,

называемая частицей Хиггса или хиггсовским бозоном. Считается,

что хиггсовский бозон имеет нулевой спин. Детекторы ATLAS и CMS

на LHC смогут детектировать хиггсовские частицы, если эти части-

цы существуют. Экспериментальное наблюдение хиггсовского бозона

было бы одним из величайших научных открытий XXI века.

Все процессы взаимодействия частиц подчиняются законам со-

хранения. В приложении перечислены законы сохранения и указа-

но, в каком типе фундаментальных взаимодействий данная харак-

теристика сохраняется. Отметим, что некоторые законы сохранения

аддитивны /А/ (т.е. в процессе сохраняется суммарная величина _

например, во всех взаимодействиях сохраняется сумма энергий ча-

стиц). Ряд законов сохранения имеет мультипликативный характер /М/ _ сохраняется произведение величин. Очень важно, что законы

сохранения имеют глубокую связь со свойствами симметрии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Рождение W и Z-бозонов

Процессы, происходящие при соударениях частиц высоких энер-

гий, могут быть упругими или неупругими. В упругих процессах

происходит обмен импульсом (энергией) между сталкивающимися

частицами, при этом не происходит изменения внутренней структу-

ры сталкивающихся частиц. В неупругих процессах происходит об-

разование новых частиц. Для протонов с импульсами выше 1 ГэВ/с

возможны как упругие, так и неупругие процессы. Вклад неупругих

процессов в полное сечение взаимодействия быстро растёт с увели-

чением энергии взаимодействия. Доля упругого рассеяния уменьша-

ется до 7% для протонов с импульсом 100 ГэВ/с и далее практически

не изменяется при увеличении импульсов сталкивающихся частиц.

Таким образом, неупругие соударения являются основным взаимо-

действием протонов высоких энергий.

Рожденные в неупругих соударениях частицы, в основном, яв-

ляются пионами. Странные частицы и барион-антибарионные пары

имеют на один или два порядка меньшую вероятность образования.

Образование адронов, содержащих с- и b-кварки, происходит с еще

меньшей вероятностью порядка. Для t-кварка эта вероят-

ность еще меньше.

При анализе характера взаимодействия обычно импульсы вто-

ричных частиц раскладывают на поперечную p⊥ и продольную p|

компоненты относительно направления сталкивающихся частиц. Ве-

личина поперечного импульса вторичных частиц характеризует ве-

личину импульса, переданного частице в процессе взаимодействия.

Процессы неупругого взаимодействия с рождением частиц с малы-

ми поперечными импульсами (p⊥0.4 ГэВ/с) относятся к «мяг-

ким» взаимодействиям. Вторичные частицы с поперечными импуль-

сами свыше 1 ГэВ/с возникают в «жестких» соударениях, т.е. когда

в процессе взаимодействия происходят большие передачи импульса.

Как известно, кварки в свободном состоянии не наблюдаются.

Если в процессах взаимодействия элементарных частиц рождается

кварк-антикварковая пара, то каждый из кварков сразу подхваты-

вает себе партнера из “моря” и образует адрон. Обычно, энергии

каждого из кварков хватает на образование не одного, а нескольких

адронов. Эти адроны имеют суммарный импульс, равный импульсу

породившего их кварка, и движутся в узком конусе в направлении,

в котором летел породивший их кварк. Такую группу адронов на-

зывают струей (jet). Кварки, образованные в жестких соударениях,

обычно порождают струи частиц.

На рис. 9.7 показана диаграмма образования двухструйного со-

бытия. На первом этапе при аннигиляции электрона и позитрона

рождается виртуальный фотон, то есть такой фотон, для которого

не выполняется равенство между квадратом его энергии и квадра-

том его импульса. На втором этапе виртуальный фотон распадается

на кварк-антикварковую пару.

 

 

 

 

 jet

                                                                                          q

jet

                                                                      q

 

Рис. 9.7: Диаграмма образования двухструйного события

Темный овал на рисунке соответствует процессу рождения квар-

ком и антикварком множества адронов. Финальная стадия процесса

изображена в виде двух адронных струй (jet). В адронные струи

могут входить как заряженные, так и нейтральные частицы.

В жестких соударениях, наряду со всеми другими процессами,

происходит образование промежуточных Z-бозонов. Диаграммы этих

процессов показаны на рис. 9.8. Первая диаграмма отвечает анниги-

ляции кварка и антикварка в Z-бозон. Она аналогична левой части

диаграммы рисунка 9.7 для аннигиляции электрон-позитронной па-

ры в фотон. В таком процессе при определенном подборе энергий

сталкивающихся кварков Z-бозон может быть реальной, а не вирту-

альной частицей.

Две другие диаграммы описывают процесс образования Z-бозона

с дополнительным излучением глюона при столкновении кварка и

антикварка и процесс совместного образования Z-бозона и кварка

при слиянии кварка и глюона. При высоких энергиях все три диа-

граммы дают примерно одинаковый вклад в сечение рождения Z-

бозонов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                    Z                         q Z

           Z   

 ----------

     q

q                     g                         g                        q

Рис. 9.8: Диаграммы образования Z-бозонов

 Z

                          u                                

p 

                          d 

 

 

                                             X

Рис. 9.9: Диаграмма рождения Z-бозонов в p столкновениях

Впервые Z-бозоны наблюдались в 1983 году на ускорителе SppS

CERN при столкновении пучков протонов и антипротонов. Z-бозоны

образовывались при аннигиляции кварка протона с соответствую-

щим ему антикварком антипротона. Характерная диаграмма такого