Предложена модель квирков — новых элементарных частиц с необычным поведением
|
Если в природе существует какое-то новое силовое поле и чувствующие его тяжелые частицы, то в определенных ситуациях они могут образовывать макроскопические силовые струны, которые можно будет заметить на Большом адронном коллайдере (LHC).
В преддверии запуска Большого адронного коллайдера (он вступит в строй в конце лета 2008 года, но серьезная программа исследований на нём начнется только в 2009 году) в физике элементарных частиц сложилась не совсем обычная ситуация. С одной стороны, во всех проведенных до сих пор экспериментах Стандартная модель работала исключительно хорошо. Но с другой стороны, физики отчетливо понимают, что она не может быть окончательной теорией. Обязательно должна существовать какая-то более глубокая, более фундаментальная картина устройства нашего мира, а Стандартная модель является лишь приблизительной «проекцией» этой картины на известные сейчас частицы.
Что это будет за более глубокая теория, физики пока не знают. В отсутствие прямых экспериментальных данных дотошному теоретику открывается богатый простор для конструирования разных «надстроек» над Стандартной моделью. Какая из них относится к реальности, а какая — нет, покажет эксперимент, но пока что физики пытаются «прощупать» самые разные возможности. Условно говоря, физики хотят знать все типы теорий, которые отстоят от Стандартной модели на один-два логических шага, на одно-два предположения.
Одна из таких теорий была построена в вышедшем недавно препринте arXiv:0805.4642. Авторы этой статьи предложили модель с новыми гипотетическими частицами, названными ими квирками (quirks), которые, как выяснилось, должны обладать замечательными свойствами с точки зрения эксперимента.
Слово «quirk» было выбрано авторами из-за «игры звуков» о и и. Квирки по своему поведению похожи на кварки (а по-английски слово «quark» произносится как [kwork]), только, как будет рассказано ниже, вместо сильного (strong) взаимодействия они связаны «струнным» (string) взаимодействием.
Идея авторов этой работы проста и базируется на двух предположениях.
1) Пусть в природе существует какая-то новая сила, взаимодействие нового типа, устроенное наподобие сильного взаимодействия между кварками внутри протона. Говоря научным языком, предполагается, что это некое новое калибровочное взаимодействие с ненарушенной неабелевой симметрией.* Эту силу до сих пор никто не замечал просто потому, что известные нам частицы к ней «равнодушны» (примерно так же, как и нейтрино «равнодушны» к электрическому и магнитному полям).
2) Пусть существуют новые тяжелые частицы (это и есть квирки), которые эту силу чувствуют. Эти частицы обладают массой в области 1 ТэВ, так что они смогут рождаться на LHC, но не могли рождаться в более ранних экспериментах по причине недостаточной энергии столкновений.
Вообще говоря, идея эта не нова. Самой первой публикацией, в которой обсуждается возможность нового взаимодействия с конфайнментом на макроскопических расстояниях, является, по-видимому, статья Льва Борисовича Окуня «Тетоны», опубликованная в 1980 году в Письмах в ЖЭТФ, т. 31, стр. 156. Однако в ней были набросаны лишь самые общие черты такой модели, в то время как в обсуждаемой здесь работе (которая должным образом ссылается на статью Л. Б. Окуня) подробно разобрана динамика этой модели и возможные ее проявления в эксперименте.
Возникает вопрос: как такие квирки будут проявлять себя на LHC? Оказывается, они будут оставлять совершенно необычные следы в детекторе, и именно перечислению возникающих тут возможностей посвящена статья.
Но прежде чем браться за квирки, будет полезно напомнить, как ведут себя самые обычные кварки, сидящие внутри протона. Кварки притягиваются друг к другу за счет сильного взаимодействия, которое обеспечивает глюонное поле. Это глюонное поле обладает многими необычными свойствами, и самое замечательное из них — конфайнмент («пленение кварков»).
Конфайнмент — это явление, которое не позволяет одному кварку вырваться из окружения своих собратьев и существовать самостоятельно. Как только какая-то сила начнет вытягивать один кварк из протона (или растягивать кварк-антикварковую пару, как это показано на рис. 1), то глюонное поле перестраивается в виде силовой струны, которая в буквальном смысле натягивается между кварками. (Осторожно: описываемые здесь глюонные струны не следует путать с суперструнами или с космическими струнами!) Если сила, растягивающая кварки, невелика, то струна пересиливает ее и возвращает кварки на место. Если же растягивающая сила велика, то глюонная струна становится неустойчивой и рвется, причем на месте разрыва рождаются новые кварк-антикварковые пары. Эти кварки быстро группируются в мезоны, а мезоны уже могут удалиться друг от друга на любое расстояние.
|
Ключевой момент: масса обычных кварков маленькая, поэтому даже несильно растянутая струна обладает достаточной энергией для рождения кварк-антикварковых пар. Именно поэтому глюонная струна не может стать слишком длинной — ей энергетически выгодней разорваться на несколько частей, чем далеко тянуться от одного кварка к другому.
Теперь обратимся к новым гипотетическим частицам — квиркам. Для них многое из описанного выше тоже справедливо. У нового взаимодействия тоже обязан быть конфайнмент (это следует из неабелевости теории), и если в каком-то жестком процессе родились и стали разлетаться квирк с антиквирком, то между ними тоже натягивается силовая струна — правда, не глюонная, а состоящая из нового силового поля.
И тут возникает важное отличие от кварков: из-за большой массы квирков струна не может разорваться (см. рис. 2). Разрыв струны мог бы произойти только с образованием квирк-антиквирковой пары, но для ее образования требуется запасти очень большую энергию в очень маленьком объеме. А струна со слабым натяжением, пусть даже и очень длинная, этого сделать не может.
С точки зрения эксперимента возникает ряд очень интересных возможностей, которые зависят от силы натяжения струны (это свободный параметр теории, который мы заранее не знаем, поэтому вольны анализировать разные случаи).
|
Если натяжение струны очень слабое, то она может растянуться до макроскопической длины. Получится поразительный объект — две тяжелые стабильные элементарные частицы, связанные неразрушимой силовой нитью длиной в сантиметры, метры, километры! Обычная материя эту силовую нить совершенно не ощущает, и ее присутствие можно заметить в детекторе лишь по тому, как квирк и антиквирк крутятся друг вокруг друга. На рис. 3 показаны типичные траектории этих частиц в детекторе для силовой струны длиной в метры или сантиметры.
Если же натяжение струны умеренно сильное (но всё равно не настолько сильное, чтобы разорваться), то ее размеры будут мезоскопическими — то есть много больше размеров самих частиц, но много меньше пространственного разрешения детекторов (например, порядка микрона). Тогда квирк-антиквирковая пара будет выглядеть в детекторе как одна стабильная частица, однако ее масса будет сильно меняться от случая к случаю.
Такого типа частицы физикам еще никогда не встречались в эксперименте (хотя нечто похожее — так называемые нечастицы — уже предлагалось теоретиками год назад). Авторы работы подчеркивают, что методы обработки данных, которые предполагается использовать на LHC, «не настроены» на такие возможности и вполне могут «проморгать» столь необычные объекты.
В заключение стоит подчеркнуть, что большинству физиков эта и другие подобные теории, конечно, кажутся очень экзотическими и маловероятными. Однако в их разработке есть определенная польза: они помогают осознать, в какие стороны в принципе позволительно двигаться теоретикам и какие последствия их ожидают. Опыт, накопленный при изучении таких диковинных теоретических конструкций, может оказаться полезным при построении той глубинной физической картины мира, которая придет на смену Стандартной модели.
Источник: Junhai Kang, Markus A. Luty. Macroscopic Strings and «Quirks» at Colliders // препринт arXiv:0805.4642 (29 May 2008).
Игорь Иванов
* Небольшое пояснение про неабелевы калибровочные теории. Взаимодействия частиц тесно связаны с понятием симметрии. Электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия не постулируются отдельно от частиц, а как бы сами собой возникают из требования симметричности теории относительно внутренних преобразований (то есть изменений, не связанных с перемещением в реальном пространстве). Взаимодействия, которые возникают таким образом, называются калибровочными. На языке математики симметрии описываются с помощью групп преобразований (см. Теория групп — наука о совершенстве). Есть два больших класса групп — абелевы и неабелевы. В абелевых группах результат двух последовательных преобразований не зависит от того, в каком порядке они выполняются, а в неабелевых — зависит. Иными словами, в неабелевой группе разные преобразования «мешают» друг другу.
Как следствие, если теория взаимодействий основана на неабелевой калибровочной группе, то разные кванты силовых полей будут «мешать» друг другу, взаимодействовать друг с другом. Неабелево силовое поле притягивает друг к другу не только частицы вещества, но и разные части самого поля. Условно можно это представить так, словно силовые линии поля притягиваются друг к другу. Именно это притяжение между силовыми линиями сильного взаимодействия и заставляет их сжиматься в струну, когда расстояние между кварками становится большим.
Всё это происходит, когда симметрия «актуальная», ненарушенная; такая ситуация имеет место, например, в теории сильных взаимодействий. Но симметрия может нарушиться за счет какого-то механизма (например, электрослабая симметрия нарушена за счет хиггсовского механизма). Доказано, что, когда калибровочная симметрия нарушается, силовое поле уже не может простираться слишком далеко, и у него пропадает способность образовывать силовые струны. Чтобы такого не происходило, в квирковой модели постулируется, что симметрия не нарушена.
