[Перевод] Как неожиданный мюон произвёл революцию в физике частиц
От необъяснимых следов в эксперименте на воздушном шаре до космических лучей на Земле — нестабильный мюон стал самым большим сюрпризом физики частиц
Эта инфографика отображает ряд важных свойств, фактов и интересных особенностей мюона — первой из когда-либо открытых фундаментальных частиц, которая не играет никакой роли в поведении обычной материи, существующей на Земле. Среди физиков фраза «Кто это заказал?», когда речь идёт о мюоне, стала легендарной.
Ещё в начале 1930-х годов было известно всего несколько фундаментальных частиц, из которых состояла Вселенная. Если разделить материю и излучение, которые мы наблюдали и с которыми взаимодействовали, на мельчайшие возможные компоненты, на которые мы могли их разбить в то время, то оставались только положительно заряженные атомные ядра (включая протон), электроны, вращающиеся вокруг них, и фотон. Это позволило описать все известные элементы, но было несколько аномалий, которые не совсем соответствовали этой стройной картине.
У более тяжёлых элементов также и заряд был больше, но аргон и калий были исключениями: заряд у аргона был всего +18 единиц, а масса ~40 атомных единиц массы, а у калия был заряд +19 единиц, и масса ~39 единиц. Открытие нейтрона в 1932 году решило эту проблему, и мы узнали, что периодическую таблицу стоит отсортировать по количеству протонов в атомном ядре. Оказалось, что некоторые виды радиоактивного распада — бета-распады — не сохраняют энергию и импульс, что привело к гипотезе Паули 1930 года о нейтрино, которое не было открыто ещё 26 лет. А уравнение Дирака предсказывало отрицательные энергетические состояния, которые соответствовали аналогам антиматерии для таких частиц, как электрон: позитрону.
И всё же ничто не могло подготовить физиков к открытию мюона — нестабильной частицы с тем же зарядом, но массой в сотни раз большей, чем у электрона. Вот как этот сюрприз перевернул физику с ног на голову.
Электроскоп, подобный представленному здесь электроскопу с золотыми лепестками, обычно заряжается в верхней части стержнем, заряды которого затем распределяются по проводящим золотым лепесткам. Поскольку схожие заряды отталкиваются, лепестки расходятся в стороны. Примечательно, и это отмечали многие более 100 лет назад, что электроскопы, даже помещённые в вакуум, со временем разряжаются. Причина этого была неочевидна, но она оказалась связана с космическими лучами.
История началась в далёком 1912 году, когда авантюрному физику и любителю воздушных шаров Виктору Гессу пришла в голову блестящая идея взять с собой в стратосферу детектор частиц во время одного из своих полётов на воздушном шаре. Вы можете задаться вопросом, что побудило его к этому, и ответ будет неожиданным — всё дело в электроскопе. Электроскоп — это два тонких кусочка проводящей металлической фольги, соединённых с проводником и запечатанных внутри безвоздушного вакуума. Если зарядить электроскоп положительно или отрицательно, то одинаково заряженные листочки фольги будут отталкиваться друг от друга, а если заземлить его, то он станет нейтральным, и листочки фольги внутри него вернутся в незаряжённое положение.
Но вот что было странно: если оставить электроскоп в покое, даже в довольно идеальном вакууме, он всё равно со временем разряжался. Неважно, насколько качественным был вакуум — даже если вы поместили вокруг вакуумного аппарата свинцовую защиту, — электроскоп всё равно разряжался. Более того, если вы проводили этот эксперимент на все большей и большей высоте, то обнаруживали, что электроскоп разряжается (а лепестки фольги опадают) всё быстрее. Тут-то Гесса и осенила идея, что виной всему высокоэнергетическое излучение, обладающее высокой проникающей способностью и имеющее внеземное происхождение.
Поднявшись на воздушном шаре на большую высоту, гораздо большую, чем можно было бы достичь, просто прогуливаясь, путешествуя или добираясь на машине до любого места, учёный Виктор Хесс смог использовать детектор, чтобы продемонстрировать существование и выявить компоненты космических лучей. Во многом эти ранние экспедиции, датируемые 1912 годом, ознаменовали рождение астрофизики космических лучей.
Идея заключалась в следующем: если в атмосфере Земли проносятся заряженные космические частицы, то со временем они могут нейтрализовать любой заряд, нанесённый на электроскоп, поскольку противоположно заряженные частицы будут притягиваться к электроду, а схожие с ними — отталкиваться от него. Хесс представил себе, что в космосе существует самый настоящий «зоопарк» частиц, которые молниеносно разлетаются в разные стороны, и что чем ближе он будет подходить к границе земной атмосферы (то есть чем выше он будет над уровнем моря), тем больше вероятность того, что он сможет наблюдать эти частицы напрямую.
Хесс построил камеру обнаружения, в которой было магнитное поле, так что любые заряженные частицы в его присутствии искривлялись и отклонялись. По направлению и кривизне следов частиц, появляющихся в детекторе, он мог определить скорость частицы, проходящей через детектор, а также отношение заряда частицы к её массе. Первые усилия Хесса сразу же окупились, и он начал обнаруживать частицы в огромном количестве, основав тем самым науку астрофизики космических лучей.
Первый мюон, обнаруженный вместе с другими частицами космических лучей, имел тот же заряд, что и электрон, но был в сотни раз тяжелее из-за своей скорости и радиуса кривизны. Мюон стал первым из обнаруженных более тяжёлых поколений частиц, которые были открыты ещё в 1930-х годах.
В этих ранних космических лучах было замечено множество протонов и электронов, а позднее таким образом были открыты и первые частицы антиматерии (в виде предсказанных Дираком позитронов). Но главный сюрприз произошёл в 1933 году, когда Пауль Кунце, работая с космическими лучами, обнаружил частицу, которая не вписывалась ни в один из известных видов. Наблюдаемая частица имела тот же заряд, что и электрон, но одновременно была слишком тяжёлой, чтобы быть электроном, и слишком лёгкой, чтобы быть антипротоном. Как будто существовал какой-то новый тип заряженной частицы, промежуточной по массе между другими известными частицами, которая вдруг объявила: «Эй, сюрприз, я существую!»
Чем выше мы поднимались над уровнем моря, тем большее количество космических лучей наблюдалось. На самых больших высотах подавляющее большинство космических лучей были нейтронами, электронами и протонами, и лишь небольшая их часть — мюонами. Однако по мере того, как детекторы становились все более чувствительными, они начали обнаруживать эти космические лучи на более низких высотах, даже вблизи уровня моря.
Сегодня, потратив около 100 долларов и используя готовые материалы, вы можете построить собственную облачную камеру и обнаруживать мюоны — самые распространённые частицы космических лучей на уровне моря — у себя дома.
V-образный трек в центре изображения возникает из-за распада мюона на электрон и два нейтрино. Высокоэнергетический трек с изломом свидетельствует о распаде частицы в воздухе. Столкновение позитронов и электронов при определённой, настраиваемой энергии позволяет создавать мюон-антимюонные пары по желанию. Забавное совпадение: энергия, необходимая для создания пары мюон/антимюон из высокоэнергетических позитронов, сталкивающихся с электронами в состоянии покоя, почти идентична энергии столкновений электронов с позитронами, необходимой для создания Z-бозона.
В течение следующих нескольких лет учёные упорно работали над тем, чтобы обнаружить эти мюоны не только в ходе высотных экспериментов, но и наблюдать их в наземной лаборатории. Теоретически мюоны образуются в результате так называемых ливней космических лучей: когда частицы из космоса попадают в верхние слои атмосферы. Когда это происходит, взаимодействие быстро движущихся космических частиц с неподвижными атмосферными частицами приводит к образованию множества новых частиц и античастиц, а наиболее распространённым продуктом является заряженная, короткоживущая, нестабильная частица, известная как пион.
Заряженные пионы живут лишь наносекунды, при этом отрицательно заряженные пионы распадаются на мюоны, а положительно заряженные — на антимюоны, наряду с другими продуктами распада. Эти мюоны и антимюоны также короткоживущие, но гораздо более долгоживущие, чем пионы. Со средним временем жизни в 2,2 микросекунды они являются самыми долгоживущими нестабильными частицами, за исключением нейтрона, среднее время жизни которого составляет около 15 минут! Теоретически, не только ливни космических лучей в верхних слоях атмосферы должны порождать их, но и любое столкновение частиц, обладающих энергией, достаточной для образования пионов, должно порождать мюоны, которые затем можно изучать в лаборатории.
В наших детекторах мюоны выглядят так же, как электроны, только их масса в 206 раз больше массы электрона.
Эта иллюстрация ливня космических лучей показывает некоторые из возможных взаимодействий, которые могут вызвать космические лучи. Обратите внимание, что если заряженный пион (слева) ударяет в ядро до его распада, то образуется ливень, но если он распадается первым (справа), то образуется мюон, который, если энергия достаточно велика, достигнет поверхности.
После того как мюон был замечен, сравнительно быстро был достигнут прогресс в определении его свойств и изучении его поведения. В 1936 году Карл Андерсон и Сет Неддермейер смогли чётко идентифицировать популяции отрицательно и положительно заряженных мюонов из космических лучей, что свидетельствовало о существовании мюонов и антимюонов, подобно тому, как в природе существуют электроны и антиэлектроны (позитроны). В том же году Андерсон и Виктор Хесс были совместно награждены Нобелевской премией по физике за их раннюю, новаторскую работу. В следующем, 1937 году, команда учёных Дж. К. Стрит и Э.К. Стивенсон независимо друг от друга подтвердили открытие мюонов и антимюонов в облачной камере. Мюоны были не только реальны, но и относительно распространены.
В самом деле, если протянуть руку и направить ладонь вверх, к небу, то с каждой секундой через вашу руку будет проходить примерно один мюон (или антимюон). На уровне моря 90% всех частиц космических лучей, достигающих поверхности Земли, составляют мюоны, а большую часть — нейтроны и электроны. Ещё до открытия мезонов, представляющих собой составные кварк-антикварковые комбинации, экзотических, тяжёлых, нестабильных барионов (комбинаций из трёх кварков, таких как протоны и нейтроны) или кварков, лежащих в основе материи, мы открыли мюон — тяжёлый, нестабильный двоюродный брат электрона.
Кварки, антикварки и глюоны стандартной модели обладают цветовым зарядом в дополнение ко всем остальным свойствам, таким как масса и электрический заряд. Все эти частицы, кроме глюонов и фотонов, испытывают слабое взаимодействие. Только глюоны и фотоны безмассовые; все остальные, даже нейтрино, имеют ненулевую массу покоя.
Как только физик И.И. Раби, получивший Нобелевскую премию за открытие ядерного магнитного резонанса (сегодня повсеместно используемого в магнитно-резонансной томографии), узнал о мюоне, он знаменито воскликнул: «Кто это заказал?». В то время было известно так мало частиц, что добавление этого странного кузена электрона — тяжёлого, нестабильного, недолговечного и, казалось бы, ненужного для объяснения материи, из которой состоит наша привычная Вселенная, — казалось явлением природы, не поддающимся объяснению.
До раскрытия природы материи и структуры Стандартной модели оставались десятилетия, но мюон стал нашей первой подсказкой о том, что существуют не только новые частицы, ожидающие своего открытия, но и что частицы бывают нескольких поколений. Первое поколение частиц — это стабильные частицы, состоящие из восходящего и нисходящего кварков, электрона и электронного нейтрино, а также их антивещественных аналогов. Сегодня мы знаем ещё о двух поколениях: втором, в котором есть очарованные и странные кварки с мюонами и мюонными нейтрино, и третьем, в котором есть верхний и нижний кварки с частицами тау и тау-нейтрино, а также их аналогичные антивещественные двойники.
При достаточно высоких энергиях и скоростях относительность становится важной, позволяя выживать гораздо большему количеству мюонов, чем без эффекта замедления времени. В настоящее время примерно 25% мюонов, созданных в верхних слоях атмосферы, достигают Земли. Без теории относительности это число было бы примерно 1 к 10^20.
Однако мюон не просто предвосхитил все эти новые открытия, но и дал захватывающую и контринтуитивную демонстрацию относительности Эйнштейна. Мюоны, образующиеся при столкновениях космических лучей, в среднем возникают на высоте 100 километров. Однако среднее время жизни мюона составляет всего 2,2 микросекунды. Если бы мюон двигался со скоростью, близкой к скорости света (300 000 км/с), то, умножив эту скорость на время жизни мюона, можно сделать небольшой математический вывод, что до распада он должен пролететь около 660 метров.
Но мюоны прибывают на поверхность Земли, преодолевая более 100 километров с момента своего создания, и при этом не распадаются!
Как такое возможно?
Без относительности это было бы невозможно. Но относительность привносит явление замедления времени, позволяющее частицам, движущимся со скоростью, близкой к скорости света, ощущать, что время идёт медленнее, чем для наблюдателей, находящихся в состоянии покоя. Без замедления времени мы бы никогда не открыли эти космические мюоны и не смогли бы увидеть их в наших земных облачных камерах, если бы не создали их на ускорителях частиц. Эйнштейн, сам того не зная, помог нам открыть эту принципиально новую форму материи.
Ранний план (не реализованный) полномасштабного мюон-антимюонного коллайдера в Фермилабе, второго по мощности ускорителя частиц в мире после БАК в ЦЕРНе. Мюоны могут достигать энергий, сравнимых с энергией протонов, но с чистыми сигналами столкновений и со всей энергией, сконцентрированной в одной точке, как у электронов. Это действительно может стать лучшим из двух миров для коллайдера следующего поколения, если удастся преодолеть проблемы короткого времени жизни и низкой светимости.
В перспективе возможность контролировать мюоны и манипулировать ими может привести к таким достижениям в экспериментальной физике частиц, с которыми не сможет сравниться ни один другой тип коллайдера. Когда вы строите ускоритель частиц, есть только три фактора, которые определяют, насколько энергичными будут ваши столкновения:
насколько велико ваше кольцо — кольца с большей окружностью достигают более высоких энергий,
насколько сильны магнитные поля, огибающие заряженные частицы, — более сильные магниты приводят к более высоким энергиям,
и отношение заряда к массе частицы, при этом малые массы приводят к синхротронному излучению и предельной энергии, а большие массы не имеют такой проблемы.
Именно из-за этого третьего фактора мы используем протоны вместо электронов в таких ускорителях, как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, но есть и недостаток: протоны — составные частицы, и лишь малая часть их общей энергии попадает в единственный кварк или глюон, участвующий в высокоэнергетическом столкновении, которое мы в итоге и изучаем. Но мюон лишён этого недостатка: это элементарная, фундаментальная частица, а не составная. Кроме того, мюоны не ограничены синхротронным излучением, как электроны, из-за их гораздо более тяжёлой массы. Если мы сможем освоить мюонные ускорители — то есть создавать и удерживать мюоны, чтобы разогнать их до достаточно высоких энергий, прежде чем они распадутся, — нам, возможно, удастся преодолеть следующий рубеж в экспериментальной физике частиц.
Электромагнит Muon g-2 в Фермилабе, готовый принять пучок мюонных частиц. Этот эксперимент начался в 2017 году и продолжает получать данные, значительно уменьшив неопределённость в экспериментальных значениях. Теоретически мы можем вычислить ожидаемое значение пертурбативно, через суммирование диаграмм Фейнмана, получив значение, которое расходится с экспериментальными результатами. Однако непертурбативные расчёты с помощью Lattice QCD, похоже, согласуются, что углубляет загадку аномального магнитного момента мюона.
Сегодня мы можем вспоминать об открытии мюона как о чём-то причудливом, когда наши воздушные шары и примитивные детекторы обнаруживают эти уникально изогнутые треки частиц. Но сам мюон продолжает оставаться наследием научных открытий. От его силы в иллюстрации влияния замедления времени на наблюдаемое время жизни частицы до его потенциала привести к созданию принципиально нового, лучшего типа ускорителя частиц — мюон является гораздо большим, чем просто фоновый шум в некоторых из наших самых чувствительных, подземных экспериментов по поиску самых редких взаимодействий частиц. Уже сегодня эксперимент по измерению магнитного дипольного момента мюона может стать ключом, который выведет нас, наконец, к пониманию физики за пределы Стандартной модели и откроет возможное существование пятой фундаментальной силы природы.
И всё же, когда в 1930-х годах мюон неожиданно объявил о своём существовании, это стало настоящим сюрпризом. За всю историю человечества до этого момента никто не мог себе представить, что природа может создать несколько копий фундаментальных частиц, которые лежат в основе нашей реальности, и что все эти частицы будут неустойчивыми. Так получилось, что мюон стал первой, самой лёгкой и самой долгоживущей из всех этих частиц. Когда вы думаете о мюоне, вспомните, что это первая открытая частица »2-го поколения» и первая подсказка, которую мы получили от природы относительно истинной сущности Стандартной модели.
