Наблюдение высших поколений лептонов и кварков

В Стандартной модели элементарных частиц лептоны и кварки делятся на поколения — группы из двух кварков, одного лептона и одного нейтрино. На сегодняшний день известно три поколения частиц, при этом от первого к третьему резко растут массы частиц, кроме нейтрино. Средние времена всех частиц, кроме стабильных нейтрино, соответственно, падают. В первое поколение входят электрон, электронное нейтрино, а также u- и d-кварки. Таким образом, вся известная на Земле стабильная материя построена из частиц первого поколения. Остальные частицы являются крайне нестабильными и наблюдаются как продукты столкновений, распадов, а также рождаются при взаимодействии космических лучей с атмосферой Земли.

Лептоны второго поколения — это мюон и мюонное нейтрино. Мюон был открыт в 1936 году в космических лучах Карлом Андерсоном (1905–1991), который также открыл позитрон. О нем подробнее можно прочесть в разделе, посвященном времени жизни релятивистских частиц.

Что касается мюонного нейтрино, вначале его существование не предполагалось (даже мюон называли мю-мезоном, не причисляя к семейству лептонов). Чтобы подтвердить, что в реакциях распада мюона

рождается не только электронное, но и другой вид нейтрино, в 1962 году на Брукхэйвенском ускорителе в США, а также в ЦЕРНе (Швейцария) были проведены эксперименты по регистрации нейтрино от процессов следующего вида:

‑Мезоны рождались в процессе работы ускорителя и распадались с испусканием нейтрино. Чтобы определить тип этих нейтрино, использовалась стимуляция бета-распада нейтрона потоком нейтрино:

При захвате мюонного нейтрино образуется мюон, который через несколько микросекунд распадается на электрон и пару нейтрино. Такой распад мюона вполне можно идентифицировать и отличить от испускания атомом электрона. В опытах обнаружилось, что под действием пучков нейтрино от распада ‑мезонов происходила только вторая реакция. Тем самым было доказано, что наблюдаемый тип нейтрино отличается от электронного. За открытие мюонного нейтрино авторы эксперимента Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Стайнбергер в 1988 году были удостоены Нобелевской премии — причем в формулировке их заслуг, в частности, фигурировало: «за открытие двойственной структуры лептонов». Действительно, оказалось, что лептоны делятся на пары, в каждой из которых одна частица массивная и заряженная, а другая — нейтральная и безмассовая.

Обнаружилось также, что каждому поколению лептонов соответствует свой сохраняющийся лептонный заряд, равный +1 для лептонов и –1 для антилептонов. Именно поэтому в распаде -мезона вместе с может родиться мюонное нейтрино (лептонный заряд ), но не могут родиться электронное нейтрино () и мюонное антинейтрино ().

Третье поколение лептонов было «вскрыто» Мартином Перлом в 1975 году: на Стэнфордском электрон-позитронном ускорителе в реакции аннигиляции электрона и позитрона был открыт тау-лептон. Эта частица живет  секунды и распадается по одному из трех каналов:

причем на адронный канал приходится больше 50% вероятности распада. Этот канал просто закрыт для электрона и мюона: их энергии-импульса не хватает для рождения адронов. Аннигиляция электрон-позитронной пары в адроны через тау-лептоны очень похожа на аннигиляцию через пару кварк-антикварк.

В эксперименте Мартина Перла тау-лептоны регистрировались по лептонным продуктам распада, а именно, синхронным парам . Эти пары не могут рождаться напрямую из ‑аннигиляции, более того, их наличие говорит о том, что детекторы не зафиксировали вылет нейтрино . Откуда могли одновременно взяться эти два нейтрино, вместе с положительным мюоном? Единственный вариант — из распада тяжелых частиц. Четкий расчет показывал, что этими частицами не могут быть пионы, а могут быть только гипотетические тау-лептоны с массой 1777Мэв. В 1995 году Мартину Перлу была вручена Нобелевская премия за открытие нового поколения лептонов.

После открытия тау-лептона сомнений в существовании соответствующего ему нейтрино уже не было. Однако это нейтрино было зарегистрировано только в 2000 году. В эксперименте DONuT, проводившемся на адронном ускорителе Теватрон (Fermilab, США), использовались тау-нейтрино, рожденные после столкновения пучка протонов с энергией 800ГэВ с мишенью. Один из двадцати рождавшиеся при столкновении странных ‑мезонов, состоящих из очарованного и странного кварка, распадался по тау‑лептонному каналу:

Далее использовалась стабильность нейтрино и его высокая проникающая способность: на пути пучка ставили множество фильтров, в которых задерживались все другие возможные частицы. Короткоживущие частицы просто распадались на полпути, в частности, распадался и тау-лептон. Далее тау-нейтрино поглощалось нейтронами ядер точно так же, как в эксперименте по обнаружению мюонного нейтрино:

Появление тау-лептона во второй раз идентифицировалось по характерным продуктам его распада.

Кварковые поколения также повторяют друг друга: в каждом из них два кварка с электрическими зарядами, равными и по абсолютной величине, причем массы кварков быстро растут от поколения к поколению. Массы кварков первого поколения составляют единицы МэВ, второго поколения — 100МэВ для странного s-кварка и 1.8ГэВ для очарованного c-кварка. Третье поколение открывает b-кварк с массой 4.5ГэВ, а недавно открытый топ-кварк (t) имеет огромную массу в 170ГэВ.

Топ-кварк за среднее время своей жизни не успевает пройти расстояние, равное размеру адрона. Более того, за такое маленькое время вокруг родившегося топ-кварка не успевает образоваться глюонное поле, которое приводит к рождению из вакуума других кварков и объединению кварка-родителя с ними. Поэтому, фактически, t-кварк всегда является свободным. Эта частица была также обнаружена на ускорителе Теватрон в США в 1995 году. Этот ускоритель до вступления в строй Большого Адронного коллайдера был единственным в мире, способным к обнаружению этой частицы. Энергия встречных протонных пучков в системе центра масс составляла 1800ГэВ. Топ-кварк был обнаружен интернациональными группами CDF и DØ на основе наблюдения адронных струй, рожденных в каскадном распаде:

Первая часть процессов — распад топ-кварка на b-кварк и переносчик слабого взаимодействия W-бозон — происходит очень быстро и из общих соображений является наивероятнейшей модой распада t-кварка. Напомним, что сам t-кварк распадается раньше, чем начинает действовать сильное взаимодействие, поэтому сам не создает адронных струй. Струи создаются при вылете свободных b-, u-, d-кварков: в первом процессе — одна струя, во втором — три. В эксперименте можно сложить импульсы всех адронов, входящих в одну струю, и выяснить, какой кварк ее породил. Таким образом, о появлении топ-кварка говорило одновременное наблюдение b-кварка и продуктов распада W-бозона.

Важно отметить, что число поколений кварков и лептонов в Стандартной модели не фиксировано, а является чистым экспериментальным фактом. В то же время, не при любом его значении Стандартная модель непротиворечива: от числа и состава поколений зависят сокращение аномалий и наличие асимптотической свободы кварков. Первое является необходимым для построения любой квантовой теории поля, второе — экспериментальный факт, который должна давать теория. Поэтому причина существования именно трех поколений частиц является пока неразгаданной тайной Природы. Теоретики пытаются найти объяснение именно такому положению дел, а также вместе с экспериментаторами занимаются поисками четвертого поколения.

<<К предыдущему эксперименту  |  Квантовая теория  |  К следующему эксперименту>>