Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://prac-gw.sinp.msu.ru/images/nucleus/descriptions%20nucleus/zad_09.pdf Дата изменения: Tue Dec 3 17:09:49 2013 Дата индексирования: Thu Feb 27 20:51:25 2014 Кодировка: Windows-1251 Поисковые слова: рер р р р р р р р р р р р р р

Лабораторная работа 9 Рождение и раcпад Z -бозонов
Целью настоящей работы является изучение процессов взаимодействия элементарных частиц при высоких энергиях. Изучение таких процессов является основой физической программы современных ускорителей. В работе используется компьютерное моделирование регистрации продуктов протон-протонных столкновений при энергиях, соответствующих энергиям коллайдера LHC. Исследуются процессы рождения Z -бозонов и их последующие распады.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Большой адронный коллайдер (LHC) и детектор ATLAS. Фундаментальные частицы и фундаментальные взаимодействия. Рождение W - и Z -бозонов. Распады промежуточных бозонов. Определение массы Z -бозона. Краткие сведения об используемых программных продуктах. Порядок выполнения работы. Контрольные вопросы и задачи.

1.

Большой адронный коллайдер (LHC) и детектор ATLAS

Основная задача физики высоких энергий изучение строения материи на экстремально малых расстояниях. Для этого необходимы установки, которые могут создавать интенсивные потоки пробных частиц, обладающих как можно меньшей длиной волны де Бройля. Их взаимодействие с мишенью позволяет наблюдать особенности структуры мишени, размеры которых соизмеримы с длиной волны пробных частиц. Полная энергия частицы Е и ее импульс p связаны с привед?нной длиной волны ( = /2 ) формулой де ? Бройля:

= ?

|p | ?

=

c c {при E >> mc2 } , 2 c4 E E -m
2

(1)

где = 6.58 ћ 10-22 МэВћс постоянная Планка. Из соотношения (1) следует, что чем меньшей длиной волны должна обладать частица, тем до больших импульсов (энергий) необходимо эту частицу ускорить. Для этой цели строят ускорители высоких энергий. Первые ускорители высоких энергий были созданы в середине 50-х годов практически одновременно в г. Дубне Московской области, вблизи Женевы (Швейцария) и в Брукхевене (США). Основные знания о структуре микромира, об известных в настоящее время фундаментальных частицах (лептоны, кварки, калибровочные бозоны) и взаимодействиях, получены в экспериментах на ускорителях. Ускорение частиц очень сложный и дорогостоящий процесс. Достичь значительного выигрыша в энергии можно сталкивая между собой два ускоренных пучка частиц. Для этого оба пучка нужно одновременно сфокусировать в малом объеме области соударения и создать столь высокую плотность частиц, чтобы они могли эффективно взаимодействовать. Эти проблемы были успешно решены. Ускорители такого типа были созданы и


получили название ускорителей на встречных пучках или коллайдеров (от английского `collide' ?сталкивать?). Первые коллайдеры, в которых сталкивались электроны, были запущены в 1965 г. в Институте ядерной физики под Новосибирском и в Стенфордской лаборатории (США). В 1971 г. был построен коллайдер, где сталкивались протоны, а в 1981 г в Европейской организации ядерных исследований (сокращенно CERN) вблизи Женевы был запущен коллайдер, сталкивающий протоны и антипротоны с суммарной энергией 600 ГэВ в системе центра масс (СЦМ) сталкивающихся пучков, В 1985г. в Фермиевской национальной ускорительной лаборатории (FNAL) в США был создан коллайдер протонов и антипротонов с энергией соударения 2 ТэВ в СЦМ (1 ТэВ=1012 эВ=103 ГэВ). В таблице 1 приведены характеристики электрон-позитронных коллайдеров, работающих (или работавших) с начала 1970-х годов. В первом столбце указано название коллайдера, во втором название научного центра или города в котором работает ускоритель, в третьем годы работы, в четвертом - энергии пучков в ГэВ в СЦМ. В нижней строчке таблицы приведены характеристики единственного в настоящее время электрон-протонного коллайдера. Характеристики протон-антипротонных коллайдеров приведены в таблице 2. Эксперименты на протон-антипротонном коллайдере CERN привели к открытию в 1983 г. промежуточных W - и Z -бозонов, являющихся переносчиками слабого взаимодействия. Это открытие удостоено Нобелевской премии по физике за 1984 год. На ускорителе TEVATRON (FNAL) в 1995 г. был открыт t-кварк. Таблица 1 Название коллайдера SPEAR DORIS CESR PETRA РЕР ВЕРS VEPP4M TRISTAN SLC LEP1 VEP2M LEP2 HERA

Электрон-позитронные и электрон-протонные коллайдеры
Страна, научный центр США, SLAC Германия, DESY США, Cornell Univ Германия, DESY США, SLAC Пекин Новосибирск, ИЯФ Япония, КЕК США, SLAC Швейцария, CERN Новосибирск, ИЯФ Швейцария, CERN Германия, DESY Годы работы 1972 1973 1979 1978 1980 1989 1994 1987 1989 1989 1992 1996 1992 1990 1993 н.вр. 1986 1990 н.вр. н.вр. 1995 н.вр. 1995 н.вр. н.вр. н.вр.

Энергия в СЦМ, ГэВ 4Ч4 5,65,6 6Ч 6 23.423.4 15Ч15 2.2Ч2.2 6Ч 6 32Ч32 50Ч50 50Ч50 0.7Ч0.7 100Ч100 30(e+ , e- ) Ч 820(p)

2


Таблица 2 Название коллайдера SppS TEVATRON

Протон-антипротонные коллайдеры
Страна, научный центр CERN США, FNAL Годы работы 1981 1990 1987 н.вр.

Энергия в СЦМ, ГэВ 315 Ч 315 1000 Ч 1000

Эксперименты на ускорителях дали огромное количество новой информации об элементарных частицах и характере взаимодействий между ними. Эта информация стимулировала попытки теоретического описания электромагнитных, слабых и сильных взаимодействии с единых позиций формализма квантовой теории поля. Современное теоретическое описание взаимодействия элементарных частиц дается Стандартной Моделью (СМ). В настоящее время СМ согласуется со всеми известными экспериментальными данными в области физики высоких энергий. Однако по-прежнему остаются неясными некоторые вопросы, связанные как с обоснованием самой модели так и с фундаментальными вопросами физики микромира. К таким вопросам относятся:

ћ выяснение механизма возникновения масс элементарных частиц; ћ вопрос существования различных поколений фундаментальных фермионов и их числа; ћ объяснение различия масс кварков и лептонов; ћ вопрос о возможной составной природе кварков и лептонов; ћ измерение времени жизни протона; ћ проблема нарушения C P -симметрии; ћ существование симметрии высших порядков, которые предсказывают существование суперсимметричных частиц; ћ наблюдение нового состояния вещества кварк-глюонной плазмы; ћ в последние годы в связи с новыми экспериментальными данными особую остроту приобрела проблема массы нейтрино.
Важность перечисленных выше проблем в изучении микромира обусловило одновременное возникновение в 80-х годах сразу нескольких проектов строительства коллайдеров с энергией соударения, достигающей десятков ТэВ. Однако сложность их реализации привела к тому, что в настоящее время сооружается лишь один такой коллайдер, где будут сталкиваться протоны с суммарной энергией соударения 14 ТэВ в СЦМ. Он носит название ?Большой адронный коллайдер? (LHC Large Hadron Collider) и создается в CERN. На рис. 1 показана схема ускорительного комплекса CERN. Протоны и ионы через накопительные кольца поступают в протонный синхротрон PS (26 ГэВ), который инжектирует протоны в протонный синхротрон SPS (450 ГэВ). Протоны из SPS будут поступать в тоннель LНС (14 ТэВ), где до настоящего времени ускорялись встречные пучки электронов и позитронов на установке LEP. Пучки LEP и LНС расположены в одном тоннеле, 3


в разных магнитных системах. Инжектором электронов и позитронов является линейный ускоритель e+ e- linacs, также показанный на рис. 1.

Рис. 1: Схема ускорительного комплекса CERN.

Эффективность получения физической информации с коллайдеров зависит от интенсивности столкновений встречных пучков в области их пересечения. Число столкновений R в секунду определяется произведением сечения взаимодействия пучков и светимости коллайдера L

R = L.
Светимость L определяется числами частиц N1 и N2 в сгустках ускоряемых частиц, числом сгустков в пучках n, а также площадью поперечного сечения пучков S (в предположении, что они полностью перекрываются) и частотой обращения частиц в ускорителе f : L = f nN1 N2 /S Значения светимостей для современных действующих коллайдеров составляют около 10 1032 см-2 c-1 . Планируемая светимость LHC составляет 1033 см-2 c-1 (режим низкой светимости) 1034 см-2 c-1 (режим высокой светимости). В 1994 г. комитет LHC утвердил два проекта детекторов, предназначенных для работы на новом ускорителе: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) и CMS (Compact Muon
31

4


Solenoid).Оба они были представлены коллективами физиков почти по полторы тысячи человек каждый. Следует заметить, что ныне действующие экспериментальные установки объединяют максимум несколько сотен сотрудников. Общие принципы действия установок ATLAS и CMS совпадают. Они максимально перекрывают пространство вокруг места соударения ускоренных пучков протонов (так называемые 4 -детекторы). Решение строить два детектора для проведения физических исследований обусловлено необходимостью подтверждать каждое открытие независимыми экспериментами. Таким образом, независимо создаваемые установки должны обеспечить надежность получаемых результатов. Каждый детектор имеет свою область пересечения пучков. Всего таких областей на LHC будет четыре. Две из них предназначены для детекторов ATLAS и CMS. Две оставшиеся предназначены для детекторов ALICE (исследование соударений тяжелых ионов, поиск кварк-глюонной плазмы) и LHCb (изучение физики адронов, содержащих b-кварк). Решение об их строительстве было принято несколькими годами позже решения о строительстве установок ATLAS и CMS. Запуск ускорителя LHC и работающих на нем установок планируется осуществить в 2007 г. Настоящая лабораторная работа посвящена моделированию экспериментов по исследованию характеристик Z -бозона на установке ATLAS. Ниже будет подробно рассказано об устройстве данной установки и физической программе, которую планируется выполнить на этой установке. Основная задача установки ATLAS заключается в том, чтобы выяснить механизм возникновения масс фундаментальных частиц. Один из наиболее разработанных механизмов связан с предположением существования в природе частиц, называемых xиггсовскими бозонами. В настоящее время эти частицы еще не обнаружены экспериментально. В детекторе предусмотрена возможность их регистрации в диапазоне масс от 80 ГэВ до 1 ТэВ. Кроме того, на установке ATLAS предполагается вести поиск суперсимметричных частиц, массы которых предсказаны теоретиками в области до 1 ТэВ, изучать проблему нарушения C P -симметрии и физические свойства тяжелых кварков. Детекторы, используемые в физике высоких энергий для регистрации частиц, состоят как правило из нескольких структур. Каждая структура рассчитана для регистрации частиц с определенными характеристиками. Отдельные структуры детектора расположены так, чтобы частицы последовательно проходили через них, оставляя определ?нную информацию о прошедшей через них частице. На основе этой информации затем восстанавливаются такие характеристики частицы как е? тип, энергия, импульс, характеристики распада. Частица детектируется по взаимодействию с веществом детектора или по вторичным продуктам распада. Взаимодействие различных типов частиц с отдельными структурами детектора показано на рис. 2. Заряженные частицы, такие как протоны, пионы и каоны детектируются трековым детектором, электромагнитным и адронным калориметрами. Электроны и позитроны детектируются трековым детектором и электромагнитным калориметром. Нейтральные частицы, такие как нейтроны и фотоны, не детектируются в трековом детекторе. Фотоны детектируются электромагнитным калориметром, а нейтроны определяются по энергии, выделяемой в адронном калориметре. Так как мюоны имеют максимальный пробег в веществе детектора из всех регистрируемых частиц, для их детектирования обычно используют внешние участки детектора мюонный детектор. Нейтрино на рис. 2 не показаны, потому что они имеют малую величину сечения 5


e+

Рис. 2: Взаимодействие различных типов частиц с отдельными структурами детектора взаимодействия с веществом, и, как правило, выходят из области детектора без взаимодействия. Многослойная структура детектора позволяет восстановить траекторию частицы и определить точку взаимодействия с точностью несколько микрон. Таким образом каждый тип частиц имеет свою собственную ?подпись? в детекторе. Например, если частица обнаруживается только в электромагнитном калориметре то, скорее всего это фотон. Мюон оставляет информацию во всех структурах детектора. Рассмотрим схему установки ATLAS (рис. 3). Область соударения пучков окружена внутренним детектором (Inner Detector). Его диаметр составляет 2 м, а длина 6,5 м. Он помещен в соленоид, который обеспечивает внутри детектора магнитное поле 2 Т. В магнитном поле треки частиц искривляются в зависимости от знака заряда частицы и ее импульса. Задача детектора - определение точки соударения протонов и траекторий вторичных частиц, которые образуются в результате соударения. Для этого применяются два типа детектирующих устройств: кремниевые детекторы, обеспечивающие точность измерения координаты частицы около 22 микрон, и детектор переходного излучения, состоящий из пропорциональных дрейфовых трубок диаметром 4 мм, между которыми находится вещество радиатора. Детекторы выполнены так, чтобы частицы пересекали их преимущественно перпендикулярно плоскости детектора или оси трубки. Чтобы выдержать радиационные нагрузки, кремниевые детекторы должны работать при температуре 0 С, поэтому эта часть трековой системы помещена в криостат. Траектория каждой частицы большой энергии должна иметь 6 прецизионно измеренных точек. Для этого в установке ATLAS используется 1 тысяч кремниевых детекторов. Дрейфовые трубки повторяют геометрию цилиндра в центральной части, их длина 6

!ї $2!10 $#)#(

!ї $2!10 $##ї0#(

?

n

?

K +,



+, p

ї##'&

$ї ї##! ї%

ї#$$ї#"! ! ї
-

їїЕ ? ????? ? ???Ѓ


Рис. 3: Общий вид детектора ATLAS достигает 1,6 м, и расположены в виде колец на большем расстоянии от точки соударения по оси пучка. Точность определения координаты частицы в дрейфовых трубках составляет около 150 микрон, но зато число точек измерения на один трек 36. Кроме того, дрейфовые трубки регистрируют переходное рентгеновское излучение и, таким образом, обеспечивают идентификацию электронов. Всего в детекторе используется около 400 тысяч дрейфовых трубок. Такое большое количество трубок необходимо для того, чтобы обеспечить 4 -геометрию установки и обусловлено требованием эффективности восстановления траекторий частиц. Внутренний трековый детектор заключен в оболочку калориметров. Калориметрия играет основную роль в установке ATLAS. Она обеспечивает прецизионное измерение энергии электронов, фотонов, ?струй? адронов, возникающих при адронизации кварков и ?недостающей? энергии, уносимой нейтрино или другими нейтральными слабовзаимодействующими частицами, например, суперсимметричными партнерами уже известных частиц. Калориметры состоят из нескольких крупных модулей, предназначенных для регистрации адронов и для регистрации электромагнитного излучения в центральной области. Модули электромагнитного калориметра и торцевых адронных калориметров в качестве вещества поглотителя используют жидкий аргон, что обеспечивает необходимое быстродействие, высокое разрешение и высокую радиационную стойкость детектора. Адронный калориметр в центральной части собран из железных пластин, прослоенных сцинтилляторами. Это более дешевая и достаточно надежная конструкция по сравнению с жидкоаргонными калориметрами. Мюонная система ATLAS расположена за калориметрами, в которых поглощаются все электроны, фотоны и адроны. Мюоны имеют высокую проникающую способность и в калориметрах поглощаются очень мало. Поэтому практически все зарегистрированные мюонной системой заряженные частицы являются мюонами. Основным типом детекторов в мюонной системе являются дрейфовые трубки диаметром 3 см. Результаты измерений, полученные с помощью мюонной системы (внешней трековой системы), ?сшиваются? с данными внутреннего детектора для полной идентификации частиц. Установка ATLAS будет размещена под землей на глубине 100 м. Соударения протонных пучков будут происходить каждые 25 наносекунд, то есть с частотой 40 МГц. При 7


планируемой на первом этапе светимости ускорителя 1033 частиц/сек-1 /см-2 при каждом столкновении пучков будет происходить в среднем 23 протонных соударения. При светимости 1034 частиц/сек-1 /см-2 при каждом столкновении пучков будет происходить 25 протонных соударений.

Рис. 4: Поперечное сечение детектора ATLAS. 1 вакуумная труба, 2 трековый детектор, 3 соленоидальный магнит, 4 электромагнитный калориметр, 5 адронный калириметр, 6 мюонный детектор.

1

2

Вакуумная труба (Beam Pipe) Трековый детектор Соленоидальный магнит Электромагнитный калориметр

Вакуумная труба, внутри которой перемещаются протоны, расположена вдоль центральной оси детектора. Протоны, двигающиеся навстречу друг другу, сталкиваются в центре детектора. Внутренняя часть детектора заполнена чувствительными детекторами сделанными из пластинок кремния очень высокого разрешения, что позволяет с высокой точностью определить траекторию заряженной частицы и место ее рождения. Траектория частицы изгибается в магнитном поле. Радиус кривизны говорит об импульсе и знаке заряда частицы. Соленоидальный магнит это огромный моток проволоки, намотанный на катушку, для того чтобы создать однородное магнитное поле внутри обмотки. Это прибор для измерения полной энергии e+ , e- и фотонов. Эти частицы производят ливень e+ e- -пар в веществе. e+ e- испускают в поле ядра фотоны. Фотоны, в свою очередь, рождают e+ e- -пару, которые затем опять испускает фотоны и т.д. Этот каскад называется ?электромагнитным ливнем?. Максимальное число e+ e- -пар пропорционально энергии первичной частицы. 8

3

4


5

Адронный калориметр Мюонный детектор

6

Этот прибор измеряет полную энергию адронов. Адроны взаимодействуют с плотным веществом детектора, производя ливень заряженных частиц. Энергию, выделяемую этими заряженными частицами, затем измеряют. Только мюоны и нейтрино могут пройти так далеко. Мюоны здесь регистрируются, а слабовзаимодействующие нейтрино улетают. О присутствии нейтрино можно узнать лишь по недостающей энергии.

Рис. 5: Более детальный вид трекового детектора. 1 вакуумная труба, 2 пиксельная камера, 3 кремниевый трекер, 4 детектор переходного излучения

1 2

Вакуумная труба Пиксельная камера (Pixel Tracker)

Сектор, расположенный ближе всего к точке взаимодействия, называется пиксельной камерой. Этот детектор состоит из тонких слоев кремния, разделенного на крошечные прямоугольные области ?пиксели? pixeles. Заряженные частицы проходя через эти зоны создают сигнал, при помощи которого очень точно определяется их траектория. Т. к. пиксели очень крохотные, то их позиции достаточно для того, чтобы определить, была ли частица рождена в точке протон-протонного столкновения, или в нескольких мм. от нее. Наличие сдвига говорит о том, что из точки взаимодействия вылетела короткоживущая частица, которая, пролетев несколько мм, распалась.

9


3

Кремниевый трекер (Silicon Strip Tracker) Детектор переходного излучения

4

Слои кремния, объединенные в узкие полоски (стрипы), используются для обеспечения точной информации о траектории частицы. Когда заряженная частица проходит через эту секцию, можно определить какой стрип сработал. Такие стрипы позволяют точно узнать пространственные характеристики трека частицы. Этот детектор проволочный газовый детектор, который состоит из маленьких трубок (похожих на солому, поэтому их и прозвали straw), в центре которых расположена тонкая проволочка. Они наполнены специальным газом, а высокое напряжение подается между проволочкой и метализированной стенкой трубки. Когда частица пересекает трубку, с проволочки идет сигнал, который не только позволяет определить, какая из трубочек сработала, но и по временной зависимости определить, как далеко от проволочки расположен трек частицы.

2.

Фундаментальные частицы и фундаментальные взаимодействия

Фундаментальными называют частицы, которые по современным представлениям не имеют внутренней структуры. В 1963 году М. Гелл-Маном и Цвейгом была предложена идея кварковой структуры адронов. За последние 40 лет эта идея была подтверждена целым рядом экспериментов. Экспериментально открыты 12 фундаментальных фермионов (спин 1/2). Они приведены на рис. 6. 12 фундаментальным фермионам соответствуют 12 антифермионов. Тип кварка (u, d, s, c, b, t) принято называть его ароматом (avor). В таблице 3 перечислены характеристики кварков. Помимо перечисленных в таблице характеристик, кварки обладают еще одним квантовым числом, называемым ?цвет? (color). Каждый из 6 ароматов кварков (u, d, c, s, b, t) существует в трех цветовых разновидностях, например: зеленой, синей и красной. Антикварки имеют соответствующий антицвет: антизеленый, антисиний, антикрасный. Адроны ?бесцветны?, то есть цвета составляющих их кварков перемешаны поровну и в сумме дают отсутствие цвета (?белый? цвет). Кварки в свободном состоянии не наблюдаются, они входят в состав адронов частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Адроны, имеющие полуцелый спин, называются барионами. Известные барионы состоят из трех кварков (q q q ) и имеют барионный заряд B = 1. К числу барионов относятся протон и нейтрон с кварковыми структурами p = (uud), n = (udd). Адроны, состоящие из кварков пяти ароматов (u, d, c, s, b), были подробно изучены с помощью ускорителей. t-кварк столь массивен, что для его образования потребовались ускорители колоссальных энергий. В апреле 1995 года он был обнаружен в экспериментах Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (FNAL). Частицы, имеющие целый спин, называются мезонами. Они имеют барионный заряд B = 0. Мезоны состоят из кварка и антикварка (q q ). ? Переносчики сильного взаимодействия глюоны имеют не один, а два цветовых индекса (цвет и антицвет). Всего имеется 8 цветных глюонов, поскольку комбинация з? + с? + кк не имеет цветового заряда (т.е. является ?белой?) и, следовательно, не перез с ? носит сильное взаимодействие. В свободном состоянии глюоны не существуют. Они, как и кварки, ?заперты? внутри бесцветных адронов. 10


1

2

3

e

Рис. 6: Фундаментальные фермионы. Таблица 3 Характеристика электрический заряд изоспин проекция изоспина странность (strangeness) charm bottomness (beauty) topness (truth)

Кварки (J=1/2, B=1/3)
Символ Q/e I I3 s c b t

d -1/3 1/2 -1/2 0 0 0 0

Кроме кварков существует еще шесть типов фермионов со спином 1/2, называемых лептонами. Они не участвуют в сильных взаимодействиях. В отличие от кварков, любой из шести лептонов наблюдается в свободном состоянии. Электрон самый изученный лептон. Два других заряженных лептона мюон (открыт в 1937 году в космических лучах) и -лептон (открыт в 1975 году на ускорителе). Остальные три лептона это нейтрино, нейтральные частицы с очень большой проникающей способностью и, вероятно, очень малой массой (если она вообще у них есть). Каждому заряженному лептону соответствует свое нейтрино. Для каждого из шести лептонов существует антилептон с такой же массой и противоположным электрическим зарядом и лептонным квантовым числом. Для практически полного описания окружающего мира достаточно кварков и лептонов первого поколения. Роль частиц второго и третьего поколений до конца не ясна. Предполагается, что существование трех поколений фермионов должно вести к C P нарушению в природе и к преобладанию вещества над антивеществом, что, в конечном счете, обуславливает существование окружающего нас мира.

11

Ѓ?2

-

e u d

c s

t b

u s +2/3 -1/3 1/2 0 +1/2 0 0 -1 0 0 0 0 0 0

c b +2/3 -1/3 0 0 0 0 0 0 +1 0 0 -1 0 0


Q/e 0 -1 +2/3 -1/3

& $"

Ѓ?????? % #" " !?? ? ??1?'

,

?Ѓ??ЃїЕ ???Ѓ?0 ????) ???(?Ѓ'

t +2/3 0 0 0 0 0 +1


Таблица 4 Взаимодействие

Фундаментальные взаимодействия
Квант поля Радиус, см 10-13 10-16

сильное электромагнитное слабое гравитационное

8 глюонов -квант W, Z гравитон

Порядок величин констант взаимодействия (E < 1 ГэВ) 1 10-2 10-6 10-40

Пример проявления ядро, адроны атом -распад сила тяжести

Взаимодействие фундаментальных частиц осуществляется за счет 4 типов взаимодействий: гравитационного, сильного, электромагнитного и слабого. Гравитационные силы практически не проявляются в физике частиц, например, интенсивность гравитационного взаимодействия двух протонов составляет около 10-38 интенсивности их электромагнитного взаимодействия. Порядок величин констант взаимодействий, приведенных в таблице 4, соответствует энергии взаимодействия E < 1 ГэВ. В области более высоких энергий величины констант взаимодействия зависят от энергии. В дальнейшем будут обсуждаться три типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное и слабое. Таблица 5
Калибровочные бозоны

Фундаментальные (калибровочные) бозоны
Масса, ГэВ

J, спин
1 1 1

Р, четность

I, изоспин
0, 1 0

8g W +, W

-

0 0 80.41 + 0.10

-1 -1

Z

91.187 + 0.007

1

Основные моды распада, % стабилен стабилен hadrons, 68% e+ , 10.9% ч+ , 10.2% + , 11.3% hadrons, 70% , 20% ? e+ e- , 3.37% ч+ ч- , 3.37% + - , 3.36%

Ширина распада, ГэВ

2.06 + 0.06

2.490 + 0.007

Взаимодействия фундаментальных фермионов осуществляются за счет обмена переносчиками взаимодействия фундаментальными (или калибровочными) бозонами. Взаимодействие частиц, имеющих электрический заряд, происходит посредством обмена квантами электромагнитного поля фотонами (или -квантами). Фотон электрически нейтрален. Сильное взаимодействие осуществляется за счет обмена глюонами (g ) электрически нейтральными безмассовыми переносчиками сильного взаимодействия. Глюоны переносят цветовой заряд (смотри ниже). В слабом взаимодействии принимают участие все лептоны и все кварки. Переносчиками слабого взаимодействия являются массивные 12


W - и Z -бозоны. Существуют положительные W + -бозоны и отрицательные W - -бозоны, являющиеся античастицами по отношению друг к другу. Z -бозон электрически нейтрален. Одной из задач физики является объединение различных взаимодействий в рамках единого описания. В 1960-х годах слабое и электромагнитное взаимодействия были объединены в единую теорию электрослабого взаимодействия. Теория, описывающая с единых позиций электромагнитное и слабое взаимодействия кварков и лептонов, называется Моделью электрослабого взаимодействия ГлэшоуВайнбергаСалама. Объединение происходит при энергиях порядка энергии покоя Z -бозона, т.е. при энергиях порядка 90 ГэВ. Модель электрослабого взаимодействия вместе с КХД составляют Стандартную Модель (СМ) взаимодействия элементарных частиц. В настоящее время нет ни одного экспериментального факта, противоречащего предсказаниям СМ. Возможно, что процесс дальнейшего объединения взаимодействий может быть решен при энергиях, превышающих на 1012 порядков энергии, доступные на современных ускорителях. При таких больших энергиях теоретически оказывается возможным свести к одному взаимодействию электрослабое и сильное взаимодействия. Такая теория называется Теорией Великого Объединения (ТВО). Точнее, существует целый ряд таких теорий. Для того, чтобы сказать, какая из множества версий (если она вообще реализуется) наиболее адекватно описывает природу, требуется много дополнительной экспериментальной информации. Часть такой информации будет возможно получить на установке ATLAS. В ТВО, помимо известных калибровочных бозонов - переносчиков сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, возникают X - и Y - калибровочные бозоны. Взаимодействие, происходящее при помощи Х- и Y -бозонов, по современным теоретическим представлениям должно нарушать законы сохранения лептонного и барионного числа, и, как следствие, могло бы приводить к распаду протона. Такие распады должны происходить крайне редко, иначе сегодня наш мир не существовал бы. Оценки показывают, что период полураспада протона превышает 1032 лет. Это означает, что энергии покоя Х- и Y -бозонов должны превышать 1015 ГэВ. На современных ускорителях прямое наблюдение столь тяжелых бозонов невозможно. Для поиска распада протона строятся огромные установки, содержащие сотни и тысячи тонн вещества (обычно воды) и погруженные в это вещество детекторы (обычно черенковские счетчики). Теории суперсимметрии (СУСИ-теории) служат еще одним возможным кандидатом на единую теорию взаимодействия фундаментальных частиц. В СУСИ-теориях не делается различия между частицами с целым и полуцелым спинами. Каждой частице с целым спином ставится в соответствие частица с полуцелым спином и наоборот. Такие частицы называются суперпартнерами. В рамках СУСИ-теорий в общую схему взаимодействия возможно включение гравитации, что представляется трудной задачей в ТВО. Основным недостатком СУСИ-теорий является то, что из всех открытых к настоящему времени фундаментальных частиц ни одна не может рассматриваться как суперпартнер другой. Таким образом, число фундаментальных частиц сразу удваивается, причем половина их не обнаружена экспериментально. В CERN с осени 1995 года ведутся эксперименты по обнаружению суперпартнеров W бозонов, а в лаборатории им. Ферми кварков и глюонов. Возможно, что наилегчайшие из нейтральных суперсимметричных частиц могут составлять до 90% темного вещества во Вселенной. Если СУСИ-теория верна, то в экспериментах на детекторах ATLAS и CMS становится возможным обнаружить некоторые легчайшие суперсимметричные частицы. Одной из важнейших целей создания установок ATLAS и CMS является обнаружение хиггсовских частиц и изучение их свойств. Существование бозонов Хиггса чрезвычайно
13


важно для физики элементарных частиц. По современным теоретическим представлениям, хиггсовские бозоны имеют прямое отношение к концепции происхождения масс элементарных частиц фундаментальному вопросу современной физики. Примечательно, что этот вопрос не поднимался до тех пор, пока не появилась Стандартная Модель. Стандартная Модель предполагает, что существует еще одно поле, которое практически неотделимо от пустого пространства. Его принято называть полем Хиггса. Считается, что все пространство заполнено этим полем, и что частицы приобретают массу путем взаимодействия с ним. Те из них, которые сильно взаимодействуют с полем Хиггса, являются тяжелыми частицами, а слабовзаимодействующие - легкими. Этот эффект аналогичен эффекту движения тела в вязкой жидкости, когда оно за счет взаимодействия с жидкостью приобретает дополнительную эффективную массу. Еще один пример - электрон в кристалле. Из-за электромагнитного взаимодействия с атомами кристаллической решетки электрон приобретает эффективную массу, отличную от массы свободного электрона. В силу корпускулярно-волнового дуализма полю Хиггса должна соответствовать, по крайней мере, одна частица - квант этого поля, называемая частицей Хиггса или хиггсовским бозоном. Считается, что хиггсовский бозон имеет нулевой спин. Дет