Элементар бөлшектер

элементар бөлшектер

Элементар бөлшектер әлемінен сирек үдерістер болғаны/болмағаны туралы жаңалықтар үнемі шығып тұрады. Жақында өте сирек мезон ыдырауы туралы ақпарат келді, физиктер бұл жаңалықты ашу үшін ондаған жылдар жұмыс істеді.

Элементар бөлшектер әлемінде қалайша сирек құбылыстарды іздейді?
Түрлі сирек құбылыстар ғылымның әр саласында орын алады. Сирек минералдарды табу, сирек өсімдік немесе будандастырылған қасиетке ие жануар, атмосфералық құбылыс болсын, ал бүгінгі біз қозғап отырған мәселе – микроәлемдегі біз байқамайтын өзгерістер құбылысы. Ол құбылыстың куәгері болу бағы бұйырған физик, экспериментаторлар мен теоритиктерге бұл ғасыр жаңалығы деп санады. 
Біз механика әлемінде қалыпты құбылысқа үйренгенбіз. Күн аспанда кезіп жүрмейді, күннің шығуы және батуы тұрақты. Немесе лақтырылған тас, ауамен қақтығысы нәтижесінде түзетілген парабола бойынша ұшып, құлау керек жерге келіп түседі. Айдап келе жатқан көлік кенеттен жоқ болып кетпейді. Ғылыми түрде айтсақ, егер де екі тәжірибеге ұсынылған талаптар мен тәжірибенің іске асу шарты бір болса, сәйкесінше болжамды нәтиже де бірдей болады. Мысал үшін атмосфералық құбылыстың сирек болуы, оның сирек шарттарының бір мезетте орындалуына байланысты. Ал егер дәл шарттағыдай талаптар орындалса, құбылыс қайталанады.

Ал микроәлемде бәрі де басқаша. Элементарлы бөлшектердің іс-әрекеті ықтималдылықпен, кездейсоқтықпен өлшенеді. Оны есептеп, болжау мүмкін емес. Екі протон абсолютті түрде сәйкес шартпен коллайдерде(адрондар соқтығыстырушысы) соғылысты делік, ал қақтығыс нәтижесі әртүрлі және әр жағдайда болжам жасау мүмкін емес. Ал бізге белгілі теоритикалық есептеулер – түрлі нәтижелердің ықтималдылығы. Міне, осымен теоритиктер айналысады, ал экспериментаторлар есептеулер жүргізеді.

Элементарлы бөлшектермен жүзеге асатын сирек процестер – бұл өте сирек жағдайда орындалатын қалыпты процестер. Мұндай процестің мекені коллайдерде болғандықтан, коллайдердегі кездейсоқтықты талқылап көрейік. Сіз бірдей шартпен тәжірибені N рет қайталап, ол сізге қанша n рет сізді қызықтыратын нәтиже бергенін есептейсіз. Оқиға ықтималдылығы p=n/N тең болады. Егер N талпыныстың тек бірінде қажетті нәтижеге қол жеткізсек, ықтималдылық былайша өрнектеледі p=1/N. Бұл тәжірибеде болатын оқиғаның ең сирек типі. Егер ешқандай оқиға тіркелмегенде ықтималдылық, шамамен де болсын, болжалынбас еді. Ықтималдылық нөлге теңдігі де, тең еместігі де анықталмас еді.
Түсінгеніміздей, қаншалықты сирек оқиғаға қол жеткізгіміз келсе, соншалықты процес N санын максималды түрде көбейту керек. Техниктер мен экспериментаторлар жұмысқа дайындап жатқан жаңа коллайдерде бар күшін осы мақсатқа – N саның жоғарылатуға бағыттауда.

Мысалға Үлкен адрондар коллайдерін LHC алайық. LHC-да секундына 100 миллионға жуық протон-протондық соғылысулар жүзеге асады. Жақсы майланып, бапталған коллайдер мұндай режиммен жылына бірнеше ай жұмыс істей алады. Бұл дегеніміз жылына шамамен квадриллион (1015) дәрежеде соғылыс. Әрбір соғылысу жан-жаққа бағытталған бөлшек ұшқындарының жинақталуына алып келеді. Ал мынау протондық соқтығысудың нәтижесінде, түрлі бөлшектердің түзілу ықтималдылығы (кесте).
Бірақ кестеден көріп тұрғанымыздай, хиггстік бозондардың қасиеттері жалпылама түрде есептелген. Ойымызға бірден «Неге хиггс бозон жұптарының түзілуі ескерусіз қалды? Түзілген жүздеген жұп қайда?» деген сұрақ туады. Мұның сыры мынада: физиктер тек керек оқиғаны қабылдап қана қоймай, артық ақпараттардан сұрыптау керек. Бұған физиктер «фон» деген атау берген. Яғни, расымен маңызды және сирек оқиғаны байқауға кедергі келтіретін бұл фон процестер. Физиктер үшін фонмен күрес маңызды. Түйгеніміздей, LHC-дегі тәжірибе кездейсоқтықпен орындалады. Протондық соғылысулардан пайдалы ақпарат алу үшін бізді қызықтыратын бөлшектер түзіліп, өте сәтті жолмен ыдырап, ыдыраған бөлшектер фонда жоғалмау керек. LHCb және CMS Үлкен адрондар коллайдеріндегі тәжірибелермен жұмыс істейтін физиктерге ең алғашқы анық бақыланған Bºs-мезонның екі мюонға ыдырауы-сирек жаңалық. Себебі ол миллиард оқиғаның 4-інде іске асуы мүмкін. Мұндай ықтималдылыққа қарамастан ол қазір де есептелінді.

В-мезондар және маңызы

В-мезондар 1983 жылдан бастап ғылымда белгілі бола бастады. Ғалымдар уақыт жоғалтпай сирек ыдырауды іздей бастады. Бастапқыда В-мезон саны көп болмағанымен үдеткіш өнімділігі артып, В-мезондардың зерттеуіне бағытталған арнайы коллайдерлер В-фабрикалар пайда болды. Түзілген және қадағаланған В-мезондар саны бірнеше миллионмен өлшенсе де, күтілген ыдырау болмады. Алайда физиктер нәтиженің жақын екеніне еш күмән келтірмеді. 
2011 жылдың жазында жұмыс шарықтау шегіне жетті. Үлкен жаңалықты алдынан тосқан америкалық Тэватрон мен Үлкен адрондар коллайдері болатын. Сирек ыдыраудың жақында орын алатынына сенім білдірген Тэватрон 28 жыл бойы бұл салада қызмет атқарған коллайдер сол жылы жұмысын тоқтатты. Ал адронды коллайдерлер күннен-күнге арттырып келеді. 

2011 жылдың 12 шілдесінде Тэватронның CDF коллобрациясы B-мезонның ыдырауына негіз барын растайтын мақала жарыққа шығарды. Айта кетерлігі оның ықтималдылығы стандартты үлгіден 6 есе көп және қателік көлемді болды. Араға ай салмай LHC-дағы екі тәжірибе күтіліп, ыдыраудың жақында жүзеге аспайтының мәлімдейді. Жеңілісін мойындамаған Тэватрон 2013 жылы өзінің мәлімдемесін қайтадан жаңғыртты. Алайда 2012 жылдың аяғында Үлкен адрондар коллайдерінің ұсынған дерек көздері жақында орындалатын ыдыраудың алғашқы белгілерін хабарлады. Бұл мәлімдеме стандартты үлгі нормаларына сәйкес келді. Ары қарай статискалармен негізделіп, жаңалық болып орнықты.
“S” индексіз “В”-мезонның мюон жұптарына ыдырау ықтималдылығы мүлдем аз 10−10 . LHC коллайдері В-мезонның ыдырауының алғашқы белгілері барын білсе де, мәлімдеме жасауға асықпады. Расымен, қазіргі таңда LHC коллайдеріне бәсекелес жоқ. 

Мақаланы оқи отырып, ыдырау неге соншалықты маңызды рөлге ие және өте сирек құбылыс деген сұрақ ойыңызға келуі мүмкін. Стандартты үлгі нормасында бұған екі себеп бар. 

Біріншісі - кварк типтерін ауыстыру қажеттілігі. В-мезон барлық мезондар секілді кварк пен антикврктан тұрады. Егер олар бір сұрыптан болғанда мүмкін электрон мен позитрон секілді жеңіл әрекеттесер еді. Ал олар әр түрлі болғандықтан мюон-антимюон жұптарына айналмас бұрын, олар ауыр виртуалды бөлшектерге айналу керек. Екінші себеп-кварк типін ауыстыра алатын әлсіз әрекеттесу құрылғысы. Құрылғының бір кемшілігі – ол синдері жоғары және төмен орналасқан бөлшектермен әртүрлі әрекеттеседі. Бұл бастапқыда және кейіннен жиналған бөлшектер арасында келеңсіздік туып, мюон жұптарына ыдырау ықтималдылығы азаяды.

Бұл тәжірибенің көптеген қателіктері және мезон ыдырауын байқау қиын болуы мүмкін. Бірақ, екінші жағынан бұл керемет, біз Стандартты үлгіден шығып, біздің әлемнің терең құрылымдарын түсінуге жаңа мүмкіндік аламыз. Бұл Жаңа Физиканы іздейтін орта болады.

Жаңа Физика

тэватрон сақиналы үдеткіш

тэватрон

Ғылым 3.06.2015 жариялады
116,477 сұрақ
295,938 жауап
152,990 пікір
61,684 қолданушы