Распад элементарных частиц

Распад элементарных частиц

Физик Дмитрий Казаков о процессе распада частиц, бозоне Хиггса и темной материи

Существует много типов элементарных частиц. Если говорить о фундаментальных — кварках и лептонах, — то их 6 и 6, то есть всего 12. Мы с вами сделаны из протонов и нейтронов, в которые входят только u- и d-кварки и электрон, образующий оболочки атомов. Кажется, что все остальные частицы не нужны, но они есть в природе. Их открывают на ускорителях. Мы видим их в космических лучах. Тяжелые кварки прилетают к нам в виде тяжелых барионов или мезонов. Эти частицы не существуют вечно. Период существования электрона неизвестен, поэтому он может жить вечно. Его родственник — мюон, второй лептон — тяжелее, поэтому существует доли секунды. Связанное состояние из кварков существует столь короткое время, что это невозможно выразить во временной шкале. Основная часть элементарных частиц, которые мы знаем в природе, практически не живет. После того как период существования частиц заканчивается, они распадаются, тяжелая частица превращается в легкие. Мюон распадается на электрон и два нейтрино. Все процессы распада описываются слабым взаимодействием — это точечный процесс, когда частица моментально распадается на другие легкие. Сначала мюон превращается в промежуточное состояние, которое назвали промежуточным бозоном. Сейчас его называют W-бозоном или Z-бозоном — переносчики слабых взаимодействий. Процесс идет через промежуточную ступень. Сначала образуется промежуточный бозон, потом он, в свою очередь, тоже распадается. Процессы распада происходят по одной схеме: испускается W-бозон или Z-бозон, который распадается. Каждый процесс заканчивается тем, что тяжелая частица распадается на три частицы, которые легче ее. Мюон распадается на электрон и два нейтрино.

Процесс распада возможен тогда, когда он энергетически разрешен: масса тяжелой частицы больше, чем массы продуктов распада. Идентичный процесс происходит с кварками. Тяжелый кварк распадается на легкий кварк и нейтрино. Каждый процесс распада сопровождается рождением нейтрино — это легкая частица, которая участвует в единственном процессе слабого распада. У нее нет электрического заряда, поэтому ее невозможно наблюдать. Изначально нейтрино придумали, чтобы объяснить дисбаланс энергии в процессе бета-распада. Распад мюона на электрон называется бета-распадом.

Все тяжелые частицы распадаются. Знаменитый хиггсовский бозон, открытый последним из всего ряда частиц Стандартной модели, быстро распадается. Время жизни элементарных частиц в Стандартной модели даже не наносекунды, а гораздо меньше — примерно 10^-12 секунд. Частицы живут очень мало, но мюон существует достаточное время, чтобы пролететь в космических лучах. Это объясняется тем, что в специальной теории относительности время быстро движущейся частицы течет медленнее, поэтому, несмотря на распад частицы, она успевает пролететь значительное расстояние. В космических лучах мы наблюдаем мюоны, которые прилетают к нам, пролетают большие расстояния благодаря скорости движения, равной почти скорости света. Распады характеризуются шириной — это величина, которую измеряют в энергетических единицах — мегаэлектронвольты или гигаэлектронвольты. Когда мы говорим о W-бозонах или о хиггсовском бозоне, мы используем ширину — экспериментально измеряемая величина, которая описывает вероятность распада частицы колоколообразной функцией со своей шириной или полушириной. Это обратная величина к времени жизни, поэтому в физике частиц говорят не о времени, а о ширине. Чем меньше ширина, тем больше время жизни — и наоборот.

Распады частиц подчиняются конкретным правилам. Если существуют новые частицы, их можно обнаружить по отклонениям распада и времени жизни или отклонениям ширины от известных предсказаний теории. Поиски новой физики в последние годы были основаны на измерении ширины распадов или вероятности распадов частиц, потому что распады могут быть разными. Тяжелый барион распадается десятками различных способов, на разные продукты распада. Если масса частицы велика, то она может распадаться по разным каналам. Вероятность каждого канала рассчитывается теоретически, после чего пробуют измерить вероятность разных каналов распада и сравнить эксперимент с теорией. Поиски новой физики ведут на основе измерений с высокой точностью вероятности распадов и сравнивают с теоретическими расчетами.

Раньше ученые считали, что удастся найти новую физику таким способом. Например, поиски суперсимметрии основывались на точном измерении распадов B-мезонов. Выяснили, что в суперсимметричных сценариях распады имеют более высокую вероятность, чем в Стандартной модели. Если полную вероятность всех каналов распадов взять за 100%, то есть каналы, которые имеют вероятность доли процента, одну миллионную процента. Такие каналы чувствительны к физике, которая есть на малых расстояниях. Таким методом пытались обнаружить новую физику, но этого не случилось. Природа тонко подстроена, поэтому Стандартная модель, которую удалось построить, правильно ухватывает все свойства. До сих пор все редкие распады в точности укладываются в рамки Стандартной модели.

После открытия хиггсовского бозона сразу стали сопоставлять изначальные предсказания с новой частицей. Изучили ее распад. Моды распада хиггсовского бозона стали указанием на то, какую частицу открыли. Бозон Хиггса рождался на Большом адронном коллайдере, где рождается очень много частиц, поэтому во всем конгломерате частиц нужно было рассмотреть маленький пичок, который соответствовал рождению хиггсовского бозона и быстро распадается по разным каналам. Первые указания на существование бозона Хиггса нашли в распаде 2 гамма-кванта, поэтому это называют «распад Хиггс 2 гамма». Вероятность этого распада мала, но он оказался чист с точки зрения эксперимента, поэтому в этом канале распада обнаружили хиггсовский бозон. Затем искали другие каналы распада хиггсовского бозона в кварки, лептоны, W-бозоны, Z-бозоны. Эти распады идут с малой вероятностью, но все они подтвердились экспериментально. После этого стали говорить, что нашли частицу, которую искали, потому что все ее распады в точности укладываются в предсказания и созданную для нее схему.

Распады частиц являются универсальной вещью для тяжелых частиц, и по особенностям этих распадов и относительным вероятностям каналов мы восстанавливаем свойства моделей и проверяем точность описаний. На распаде бозона Хиггса видно, как моды распадов в совокупности позволяют зафиксировать частицу, которую открыли. Фиксируется реальное существование бозона Хиггса, который осуществляет спонтанное нарушение симметрии, придает массу всем фундаментальным частицам и взаимодействует согласно предсказуемой теории. Идея о том, что частицы живут фиксированное время, относится ко всем тяжелым частицам, потому что тяжелая частица распадается в легкую, а самой легкой частице уже распадаться некуда. Поэтому считается, что электрон не распадается. Ему некуда распадаться. U-кварки тоже никуда не распадаются, потому что это самый легкий кварк. 

Следующим этапом стало изучение распада связанных состояний. Например, протон, который состоит из двух u-кварков и d-кварка. Согласно современным экспериментальным данным, протон не распадается. Распад протона специально искали в подземных установках и получили экспериментальное ограничение на время жизни протона — 10³⁵ лет. Это превышает время жизни Вселенной. Электрон считается стабильной частицей, но таких частиц мало.

Когда ищут темную материю, которая, согласно гипотезам, существует во Вселенной, ученые думают, что это абсолютно стабильная частица, она не распадается. Для этого условия темная материя должна быть достаточно легкой, чтобы ей не во что было распасться, должна быть легче электрона. На самом деле это не так, она может быть тяжелой, но ее квантовые числа и пути распада не позволяют ей распадаться дальше. Другие частицы распадаются, и этот процесс обрывается на самой легкой частице с данными квантовыми числами. Считается, что электрон абсолютно стабилен, u-кварк тоже, и, возможно, темная материя абсолютно стабильна, но это предстоит выяснить, поскольку пока неизвестно, какая частица представляет собой темную материю. Кусочек темной материи мы знаем — это нейтрино, тоже стабильная частица.