Астрофизика частиц
Космос полон частиц, ускоренных космическими магнитными полями до невероятных энергий, и земные физики стараются воспроизвести это в скромных рукотворных машинах. Обнаружение космических лучей, нейтрино и других необычных частиц из космоса поможет нам объяснить, из чего состоит Вселенная.
Со времен древних греков мы считали, что атомы — простейшие кирпичики Вселенной. Но теперь нас не проведешь. Атомы делимы, они состоят из легких отрицательно заряженных частиц — электронов, вращающихся вокруг положительно заряженного ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Впрочем, делимы и эти частицы, и современная физика открыла целый зоопарк элементарных частиц, которые появились во Вселенной во время Большого взрыва.
Лущим атомы
Впервые электроны лабораторно высвободили из атомов в 1887 году: Джозеф Джон Томсон пропустил электрический разряд через стеклянную трубку, наполненную газом. Вскоре после этого, в 1909 году, Эрнест Резерфорд открыл ядро, получившее название от латинского nucleus — «ядро ореха». Направив поток альфа-частиц (вид радиоактивного излучения; альфа-частицы состоят из двух протонов и двух нейтронов) на тонкий лист золотой фольги, он с удивлением обнаружил, что небольшая их часть рикошетила, столкнувшись с чем- то плотным и твердым в центре атома золота.
Выделив ядра водорода, в 1918 году Резерфорд открыл протоны. Однако соотнести заряды нуклонов и массу атомов других элементов оказалось сложнее. В начале 1930-х годов Джеймс Чедвик нашел недостающий ингредиент — нейтрон, незаряженную частицу примерно той же массы, что и протон. Теперь можно было объяснить разную массу атомов химических элементов, включая неожиданную у тех, что называются изотопами. Атом углерода-12, к примеру, содержит в ядре 6 протонов и 6 нейтронов (масса 12 атомных единиц) и 6 электронов на орбите, а углерод-14 тяжелее, потому что у него два дополнительных нейтрона.
Ядро крошечно. Его диаметр всего несколько фемтометров (10-15 метров, или одна миллионная одной миллиардной доли метра). Если бы атомы были размером с Землю, ядро в их центре было бы всего около 100 метров в диаметре.
«Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили пятнадцатидюймовой гранатой по бумажной салфетке, а граната отлетела бы к вам обратно» Эрнест Резерфорд, по воспоминаниям Э. Н. да К. Андраде (1964)
Стандартная модель
По мере того как радиоактивное излучение помогает нам разобраться, как ядра распадаются (делением) и сливаются (синтезом), все больше явлений требует объяснения. Горение водорода и превращение его в гелий на Солнце путем ядерного синтеза подразумевает наличие еще одной частицы, нейтрино, которая превращает протоны в нейтроны. Существование нейтрино предположили еще в 1930-х, чтобы объяснить распад нейтрона на протон и электрон — бета-радиоактивный распад. Сами нейтрино, практически не имеющие массы, не были открыты вплоть до 1956 года.
В 1960-е физики осознали, что протоны и нейтроны — не мельчайшие кирпичики: они содержали еще более мелкие частицы, названные кварками. У них три «цвета», красный, синий и зеленый, и три «аромата» — соответственно трем парам увеличивающихся масс. Самые легкие — «верхний» и «нижний» кварки, за ними следуют «странный» и «очарованный» и, наконец, «прелестный» и «истинный» кварки — самая тяжелая пара. Физики выбрали эти странные названия, чтобы выразить беспрецедентные свойства кварков. Кварки не могут долго существовать самостоятельно и всегда должны быть замкнуты в комбинации, дающие общий нейтральный цвет (не имеющие цветового заряда). Возможные варианты — тройки, называемые барионами (от греческого (barys— «тяжелый»), включающие нормальные протоны и нейтроны, или пары кварк—антикварк, называемые мезонами. Нужны три кварка, чтобы создать протон (два верхних и нижний) или нейтрон (два нижних и верхний).
Следующий базовый класс частиц — лептоны, они связаны с электронами и включают эти частицы в себя. Здесь тоже три поколения возрастающей массы: электроны, мюоны и тау-частицы. Мюоны в 200 раз тяжелее электронов, а тау — в 3700. Все лептоны имеют одинарный отрицательный заряд. С ними также может быть связана частица нейтрино (электронное, мюонное и тау-нейтрино), у которой нет заряда. Нейтрино практически не имеют массы и почти ни с чем не взаимодействуют. Их сложно обнаружить: они могут незамеченными пролетать сквозь Землю.
Фундаментальные силы действуют через обмен частицами. Электромагнитную волну можно представить как поток фотонов, слабое ядерное взаимодействие осуществляется частицами под названием W- и Z-бозоны, а сильное ядерное взаимодействие передается через глюоны. Гравитация еще не включена в описанные здесь стандартные модели физики частиц, но исследователи работают над этим.
Крушим частицы
Подход физики частиц можно описать так: берем замысловатые швейцарские часы, разбиваем их вдребезги молотком, а потом смотрим на осколки и пытаемся понять, как часы работают. В ускорителях частиц на Земле при помощи огромных магнитов частицам сообщают колоссальные скорости и затем бьют их потоком по мишени или сталкивают с другим, противонаправленным потоком. На умеренных скоростях частицы разрушаются не полностью, и рождаются поколения самых легких частиц. Поскольку масса есть энергия, чтобы высвободить более тяжелые частицы, нужен поток частиц с высокой энергией.
Один из методов определения частиц — по фотографиям их траекторий. Когда частицы проходят сквозь магнитное поле, положительно заряженные заносит в одну сторону, а отрицательно заряженные — в другую. Масса частицы также определяет, как быстро частица проносится сквозь детектор и как сильно ее траекторию искажает магнитное поле. Так, легкие частицы отклоняются лишь слегка, а более тяжелые могут даже уйти в штопор. Отслеживая их характеристики в детекторе и сравнивая с теоретическими ожиданиями, физики могут определить любую частицу.
Космические лучи
В космосе частицы возникают примерно так же, как в ускорителях на Земле. Там, где есть сильные магнитные поля, — например, в центре нашей Галактики, при взрыве сверхновой или в выбросах из черных дыр — частицы могут обретать невероятную энергию и перемещаться с околосветовыми скоростями. Могут появляться и античастицы, и тогда увеличивается вероятность наблюдения их аннигиляции при контакте с обычной материей.
Космические лучи — частицы, рожденные в космосе, которые врезаются в нашу атмосферу. Сталкиваясь с молекулами воздуха, они разлетаются и создают каскад еще более мелких частиц, и некоторые из них добираются до Земли. Эти потоки частиц дают о себе знать вспышками на детекторах, расположенных на земной поверхности. Оценки характеристических энергий космических лучей и понимание, откуда они прибыли, могут помочь астрономам разобраться в происхождении этих лучей.
Поиски нейтрино тоже обещают многое, поскольку не исключено, что именно они составляют основную часть темной материи во Вселенной. Поскольку нейтрино почти ни с чем не взаимодействуют, обнаружить их непросто. Ради этого физики мыслят глобально — применяют как детектор всю Землю целиком. Ничто другое не способно пролететь ее насквозь, поэтому частицы, прилетающие от центра Земли, — точно нейтрино, и их поджидает целая батарея детекторов, включая новейшие — во льдах Антарктики и в Средиземном море. В других подземных экспериментах, проводимых в глубоких шахтах, есть надежда изловить частицы других типов. Но потребуется не один десяток лет применения подобных изобретательных средств, чтобы астрономы разобрались, из чего состоит наша Вселенная.
