Проблемы физики высоких энергий XXI века

Проблемы Стандартной Модели Фундаментальная физическая теория, Стандартная Модель электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий элементарных частиц (кварков и лептонов) является общепризнанным достижением физики XX века. Она объясняет все известные экспериментальные факты в физике микромира. Однако существует целый ряд вопросов, на которые в Стандартной Модели нет ответа. Нерешенные задачи в физике элементарных частиц сводятся к следующим:

• 1. Поиск экзотических частиц, имеющих структуру, отличную от принятой в Стандартной Модели.
• 2. Нейтринные осцилляции нм — нф и связанная с этим проблема массы нейтрино (mн? 0).
• 3. Распад протона, фpэкс > 1033 лет.
• 4. Поиск структуры фундаментальных частиц (преоны при d < 10−16 см).
• 5. Поиск Хиггс-бозона.
• 6. Нарушение СР-инвариантности при распаде нейтральных K-мезонов и электрический дипольный момент нейтрона.
• 7. Создание доконфайнмированной адронной материи (кварк-глюонной плазмы).
• 8. Поиск суперсимметричных частиц.
• 9. Природа темной материи.
• 10. Природа ВАКУУМА? его состав.

Физический вакуум

Согласно современным представлениям физический вакуум? не пустота с неизменными свойствами, а сложная иерархическая система в пространстве-времени, способная к динамической эволюции. По существующим оценкам на долю вакуума приходится ~ 60% энергии Вселенной. Структура вакуума представляется очень сложной, состоящей из нулевых колебаний (флюктуации квантованных силовых полей). Флюктуации непрерывно рождаются и гибнут, но в каждой области пространства и в каждый момент времени среднее число их остается неизменным. Эти состояния физического вакуума называют вакуумными конденсатами. Свойства материи определяются свойствами вакуумных конденсатов. Поэтому изучение физики вакуума представляется приоритетной задачей физики XXI века.

Конкретные свойства элементарных частиц и их взаимодействий определяются состоянием различных вакуумных конденсатов. Предметом исследований физики XXI века является изучение поведения таких вакуумных конденсатов. На основании сведений, накопленных в Стандартной Модели, можно утверждать, что существует несколько хорошо сформированных вакуумных конденсатов, соответствующих типам взаимодействий: фотонный конденсат, обеспечивающий взаимодействие заряженных частиц: глюонный конденсат, ответственный за сильные взаимодействия; «слабый» конденсат, коллективными возбуждениями которого являются кванты силовых полей? переносчики слабых взаимодействий, W±- и Z0-бозоны.

Массы W±- и Z0-бозонов определяются характерными пространственно-временными и энергетическими масштабами вакуумных структур, соответствующих слабому взаимодействию. Это состояние вакуума называется хиггсовским конденсатом, не обнаруженным пока в эксперименте. Теория предсказывает, что могут существовать коллективные возбуждения хиггсовского конденсата квантово-волнового характера. Кванты этих волновых возбуждений называют хиггсовскими бозонами. После обнаружения и исследования свойств хиггсовских бозонов можно будет получить уникальную информацию о свойствах хиггсовского конденсата.

Все частицы материи (uи d-кварки и электроны, из которых состоит наш мир) приобретают свои массы за счет взаимодействия с вакуумными конденсатами. Таким образом, природу массы материи можно разгадать только на основе представлений о структуре вакуума. Кроме хиггсовского конденсата, формирующего свойства вакуума, существует еще одна система, подтвержденная на опыте? кварк-глюонный конденсат? система сильно взаимодействующих кварковых и глюонных флюктуации. Теоретическое описание явлений, связанных с кварк-глюонным конденсатом, содержится в квантовой хромодинамике (КХД), построенной по аналогии с квантовой электродинамикой (КЭД), описывающей поведение фотонного конденсата.

Физический вакуум это особое состояние вещества. Его существование доказано исследованиями взаимодействий заряженных элементарных частиц. Вакуум проявляет себя во время подобных взаимодействий, но сам по себе в обычных условиях никак себя не обнаруживает. Можно допустить, что вечно существующий и флюктуирующий вакуум есть первооснова Мира. Рождение в вакууме такого объекта как Вселенная сопровождается гигантской перестройкой этой необычной формы вещества. Таким образом, к процессу происхождения Вселенной можно подойти на основе анализа флюктуации физического вакуума.

Особенность существования нашей Вселенной

Вселенную можно представить как однородную расширяющуюся сферу, наполненную веществом и излучением. В настоящее время радиус этой сферы? 1028 см. Возникает вопрос: что находится за пределами сферы радиусом 1028 см? Какие есть возможности существования других Вселенных?

Отвлекаясь от рассмотрения свойств огромного количества элементарных частиц, остановимся на свойствах частиц, непосредственно участвующих в построении нашей Вселенной и на их основных характеристиках. Таковыми частицами являются электрон, протон, нейтрон и нейтрино.

Масса электрона mе = 0.51 Мэв, масса протона mр = 938.2 МэВ, масса нейтрона mn = 939.5 МэВ, постоянная тонкой структуры б = 1/137 характеризует взаимодействия заряженных частиц. Что произойдет, если немного изменить перечисленные фундаментальные постоянные?

Основной химический элемент во Вселенной? водород, который является абсолютно стабильным из-за закона сохранения массы. При низких температурах окружающей среды реакция р+ + е- > n + н невозможна т.к. масса mр + mе mn и пойдет реакция р + е > n + н. т. е. атом водорода превратится в нейтрон и нейтрино, а Вселенная из водородной превратится в нейтронную. Существование водородной Вселенной определяется малой разностью масс Дm = mn? mp, из-за которой дейтон? стабильная частица. Это приводит к дальнейшему синтезу элементов. Огромное значение для существования нашей Вселенной имеет время жизни протона фp > 1033 лет. Однако если изменить значение константы взаимодействия б до величины б = 1/80, то фp будет меньше времени существования Вселенной и все протоны превратятся в фотоны и нейтрино и возникнет фотонная Вселенная.

Наша Вселенная уникальна. Небольшое изменение констант привело бы к деградации Вселенной. Ее существование обуславливается малыми значениями массы электрона mе и Дm, которые необходимы для образования сколь-нибудь сложных форм вещества.

К сожалению нет моделей процессов рождения Вселенной и соответствующих экспериментальных исследований, которые подтвердили бы правильность изложенных гипотез.

Ранняя Вселенная

Со времени открытия закона Хаббла в научной космологии возобладала точка зрения, согласно которой Вселенная возникла в виде горячего сгустка сверхплотной материи и с тех пор расширяется и остывает. Но лишь с начала 1980;х годов космологи по-настоящему задумались над тем, как именно развивались события на самой ранней стадии расширения Вселенной. Сегодня мы имеем уже достаточно полную хронологическую картину ранней истории Вселенной, начиная с невообразимо малых долей секунды после Большого взрыва, объясняющую происхождение элементарных частиц и химических элементов. Давайте прокрутим события в обратной хронологии, начиная с 1 миллиарда лет после Большого взрыва (все сроки весьма условны) и вплоть до самого взрыва.

1 миллиард лет Началось формирование галактик. Впервые в истории Вселенная стала отдаленно напоминать то, что мы наблюдаем сегодня. Уже следующее поколение сверхмощных телескопов позволит нам рассмотреть галактики, удаленные настолько, что они предстанут перед нами на стадии непосредственно после их рождения.

300 000 лет.

Примерно через 300 000 лет после Большого взрыва Вселенная остыла достаточно для того, чтобы электроны начали прочно удерживаться ядрами и появились стабильные атомы, не распадающиеся сразу же после соударения со следующим ядром. Постепенно формирование атомов из моря свободных ядер и электронов привело к образованию всего многообразия наблюдаемых нами сегодня во Вселенной химических элементов.

До образования первых атомов Вселенная состояла из непрозрачной и плотной ядерно-электронной плазмы. Любые сгустки такой плазмы, едва начав образовываться под воздействием сил гравитационного притяжения, тут же разрушались под воздействием энергии поглощаемого ими излучения. После формирования атомов пространство Вселенной стало прозрачным, а вещество — достаточно разреженным для образования устойчивых сгустков материи под воздействием сил гравитационного притяжения. Увы, уже слишком разреженным для начала формирования галактик, и этот парадокс, получивший название галактическая проблема, явился самым весомым аргументом против теории Большого взрыва. Проблема эта, однако же, устраняется, если ввести в сценарий формирования Вселенной темную материю. Тогда можно считать, что первичные ядра галактик образовались именно из этой невидимой темной материи (свойства которой принципиально отличаются от свойств обычной материи) еще до формирования атомов, а образовавшиеся позже атомы «прилепились» к уже готовым протогалактикам, состоящим из темного вещества.

3 минуты.

В первые три минуты существования Вселенной, стоило двум элементарным частицам — протону и нейтрону, например, — образовать ядро, как оно тут же разбивалось при следующем столкновении. Начиная с четвертой минуты Вселенная остыла до такой степени, что энергий столкновения стало недостаточно для разрыва внутриядерных связей, и стали образовываться стабильные ядра. Итак, в первые три минуты Вселенная представляла собой раскаленное море элементарных частиц, а по прошествии трех минут в нем стало появляться всё больше островков-ядер.

В процессе соударений с новыми элементарными частицами ядра постепенно утяжелялись за счет прикрепления к ним каждый раз протона или нейтрона. Однако на этой стадии сформировались ядра лишь самых легких химических элементов, поскольку вскоре Вселенная расширилась уже настолько, что столкновения стали огромной редкостью. То, что теория Большого взрыва верно предсказывает соотношение ядер этих легких элементов, сформировавшихся за время короткого «окна» первичного нуклеосинтеза, является надежным (и очень красивым) подтверждением правильности этой теории.

10−5 секунды.

В этот момент — примерно через одну стотысячную долю секунды после запуска механизма рождения Вселенной — кварки слились в элементарные частицы. До этого Вселенная представляла собой компактное море из кварков и лептонов; с этого момента она превратилась в остывающий океан элементарных частиц.

10−10 секунды.

Эта отметка знаменует новую серию этапных превращений — началось великое объединение фундаментальных сил. Именно в это мгновение произошло объединение электромагнитного и слабого взаимодействий. До этого момента во Вселенной действовало три силы; теперь их стало четыре. Энергии, присутствующие во Вселенной в этот момент, соответствуют максимальным энергиям, которые могут быть развиты в современных земных ускорителях. Поэтому всё, что было изложено мною выше, в принципе поддается экспериментальной проверке; всё дальнейшее — чистые гипотезы.

10−35 секунды.

При этих температурах объединились сильное и электрослабое взаимодействия. До этой доли мгновения во Вселенной действовало две силы, после него их стало три. В тот же миг началось скачкообразное расширение, которое называется инфляционным, продолжавшееся до отметки 10−32 cекунды. Одновременно из Вселенной исчезли античастицы.

Квантовая хромодинамика и Стандартная модель описывают поведение материи при невероятно высоких энергиях, существовавших во Вселенной через 10−35 секунды после ее зарождения. И эти теории проверены экспериментально, но при более низких энергиях. Все теории Ранней Вселенной не идут дальше этого момента.

10−43 секунды.

Теоретики предполагают, что в этот миг произошло объединение гравитации с другими силами. До этого во Вселенной действовала единая и неделимая сила. Именно механизм перехода от одной к двум фундаментальным силам взаимодействия и пытаются описать универсальные теории. Что было до этого мгновения? Об этом мы можем только догадываться. Как и составителям средневековых географических карт, нам остается только написать: «Осторожно, там чудовища!».

Но я немного отдалился от темы. Так как же всё-таки образовались химические элементы?

Происхождение химических элементов В 1948 году Гамовым была предложена модель Горячей Вселенной. По этой модели все химические элементы образовывались в момент Большого Взрыва. Однако это утверждение впоследствии было опровергнуто. Доказано, что только легкие элементы могли образоваться в момент Большого Взрыва, а более тяжелые возникли в процессах нуклеосинтеза. Эти положения сформулированы в модели Большого Взрыва (см. п. 15).

По модели Большого Взрыва формирование химических элементов началось с первоначального ядерного синтеза легких элементов (Н, D, 3Не, 4Не, 7Li) спустя 100 секунд после Большого Взрыва при температуре Вселенной 109 K.

Экспериментальную основу модели составляют расширение Вселенной, наблюдаемое на базе красного смещения, первоначальный синтез элементов и космическое фоновое излучение.

Большим достоинством модели Большого Взрыва является предсказание о распространенности D, Не и Li, отличающихся друг от друга на много порядков.

Экспериментальные данные о распространенности элементов в нашей Галактике показали, что атомов водорода 92%, гелия? 8%, и более тяжелых ядер? 1 атом на 1000, что согласуется с предсказаниями модели Большого Взрыва.

Ядерный синтез? синтез легких элементов (Н, D, 3Не, 4Не, 7Li) в ранней Вселенной.

• · Распространенность 4Не или его относительная доля в массе Вселенной Y = 0.23 ±0.02. По крайней мере половина гелия, образованного в результате Большого Взрыва, содержится в межгалактическом пространстве.
• · Первоначальный дейтерий существует только внутри Звезд и быстро превращается в 3Не.
• · Из данных наблюдений получаются следующие ограничения на распространенность дейтерия и Не относительно водорода:
  • 10−5? D/H? 2· 10−4 и
  • 1.2 · 10−5? 3Не/H? 1.5· 10−4,

причем наблюдаемое отношение D/H составляет лишь долю ѓ от первоначального значения: D/H = ѓ(D/H)первонач. Поскольку дейтерий быстро превращается в 3Не, получается следующая оценка для распространенности: [(D + 3Не)/H]первонач? 10−4.

• · Распространенность 7Li измерить трудно, однако используются данные по изучению атмосфер звезд и зависимость распространенности 7Li от эффективной температуры. Оказывается, что, начиная с температуры 5.5· 103 K, количество 7Li остается постоянным. Наилучшая оценка средней распространенности 7Li имеет вид:
  • 7Li/H = (1.6±0.1)· 10−10.
• · Распространенность более тяжелых элементов, таких как 9Be, 10 В и 11 В, меньше на несколько порядков. Так, распространенность 9Ве/Н < 2.5· 10−12.

Синтез ядер в звездах Главной Последовательности при Т < 108 K.

Синтез гелия в звездах Главной Последовательности в рри CN-циклах происходит при температуре Т ~ 107ч7· 107 K. Водород перерабатывается в гелий. Возникают ядра легких элементов:2Н, 3Не, 7Li, 7Be, 8Ве, но их мало из-за того, что в дальнейшем они вступают в ядерные реакции, а ядро 8Be практически мгновенно распадается из-за малого времени жизни (~ 10−16 с).

8Ве > 4Не + 4Не.

Процесс синтеза, казалось, должен был бы прекратиться, но природа нашла обходной путь.

Когда Т > 7· 107 K, гелий «сгорает», превращаясь в ядра углерода. Происходит тройная гелиевая реакция? «Гелиевая вспышка»? 3б > 12С, но ее сечение очень мало и процесс образования 12С идет в два этапа.

Происходит реакция слияния ядер 8Ве и 4Не с образованием ядра углерода 12С* в возбужденном состоянии, которое возможно благодаря наличию у ядра углерода уровня 7.68 МэВ, т. е. происходит реакция:

8Ве + 4Не > 12С* > 12С + г.

Существование уровня энергии ядра 12С (7.68 МэВ) помогает обойти малое время жизни 8Be. Благодаря наличию этого уровня у ядра 12С происходит Брейт-Вигнеровский резонанс. Ядро 12С переходит на возбужденный уровень с энергией ДW = ДМ + е,.

еM = (M8Be? М4Hе)? M12C = 7.4 МэВ, а е компенсируется за счет кинетической энергии.

Эта реакция была предсказана астрофизиком Хойлом, а затем воспроизведена в лабораторных условиях. Затем начинают идти реакции:

• 12С + 4Не > 160 + г
• 160 + 4Не > 20Ne + г и так до, А ~ 20.

Так нужный уровень ядра 12С позволил пройти узкое место в термоядерном синтезе элементов.

У ядра 16О нет таких уровней энергии и реакция образования 16О идет очень медленно.

12С + 4Не > 160 + г.

Эти особенности протекания реакций привели к важнейшим следствиям: благодаря им оказалось одинаковое число ядер 12С и 160, что создало благоприятные условия для образования органических молекул, т. е. жизни.

Изменение уровня 12С на 5% привело бы к катастрофе? дальнейший синтез элементов прекратился бы. Но так как этого не произошло, то образуются ядра с A в диапазоне А=12ч20.

Синтез ядер при Т > 2· 108 K.

Горение углерода начинается, когда температура Т достигает > 2· 108 K (такая температура у Красных Гигантов):

• 12С+ 12С > 24Mg + г или
• 23Na + p > 23Mg + n

и образуются ядра в диапазоне А.

Это приводит к значениям А=25ч32.

Затем начинается синтез более тяжелых ядер. А=36ч46.

Реакция фоторасщепления? 20Ne (г, б)16O? идет очень быстро (~ 106 лет) и наступает равновесие между синтезом и расщеплением.

Равновесные процессы происходят при температуре Т ~ 4· 109 K, для которой не существенен кулоновский потенциальный барьер. При такой температуре возможны все экзоэнергетические реакции за счет термоядерного синтеза вплоть до ядер Fe? предельного элемента синтеза.

Все ядра Fe, Co, Сr образуются за счет термоядерного синтеза. А=50ч60.

Можно вычислить распространенность ядер во Вселенной, исходя из существования этих процессов.

Сведения о распространенности элементов в природе получаются из спектрального анализа Солнца и Звезд, а также космических лучей. На рисунке представлена интенсивность ядер при разных значениях А.

Распространенность элементов во Вселенной.

Водород Н? самый распространенный элемент во Вселенной. Лития Li, бериллия Be и бора В на 4 порядка меньше соседних ядер и на 8 порядков меньше, чем Н и Не.

Li, Be, В? хорошее горючее, они быстро сгорают уже при Т ~ 107 K.

Труднее объяснить, почему они все же существуют? скорее всего, благодаря процессу фрагментации более тяжелых ядер на стадии протозвезды. элементарный частица энергия гравитационный В космических лучах ядер Li, Be, В много больше, что также является следствием процессов фрагментации более тяжелых ядер при взаимодействии их с межзвездной средой.

12Сч16О? результат Гелиевой вспышки и существования резонансного уровня у 12С и отсутствия такового у 16О, ядро которого является также дважды магическим. 12С? полумагическое ядро. Таким образом, максимум распространенности у ядер железа 56Fe, a затем? резкий спад. Для, А > 60 синтез энергетически невыгоден.

Образование ядер тяжелее железа Доля ядер с, А > 90 невелика? 10−10 от ядер водорода. Процессы образования ядер связаны с побочными реакциями, происходящими в звездах. Таких процессов известно два:

s (slow)? медленный процесс, г (rapid)? быстрый процесс.

Оба эти процесса связаны с захватом нейтронов т. е. надо, чтобы возникли такие условия, при которых образуется много нейтронов. Нейтроны образуются во всех реакциях горения.

• 13С + 4Не > 160 + n? горение гелия,
• 12С + 12С > 23Mg + n? углеродная вспышка,
• 16O + 16O > 31S + n? кислородная вспышка,
• 21Ne + 4Не > 24Mg + n? реакция с б-частицами.

В результате накапливается нейтронный фон и могут протекать s-и r-процессы? захват нейтронов. При захвате нейтронов образуются нейтроно-избыточные ядра, а затем происходит в-распад. Он превращает их в более тяжелые ядра.

• 56Fe + n > 57Fe + г
• 57Fe + n > 58Fe + г

в-распады? 58Fe > 58Co > 58Ni и т. д.

s-процесс происходит в звездах Главной последовательности и в Красных Гигантах, где плотность нейтронов сn ~ 1010 cм. Процесс идет в течение t ~ 105 лет (медленно). Невысокие максимумы на кривой распространенности объясняются s-процессом.

Ядра со временем жизни фв > 105 лет не образуются в s-процессе. Это? Обойденные s-процессом ядра:

• 116Cd (у него ф2 В = 3.1· 1019 лет >> 105 лет);
• 122Sn, 124Sn.

Число обойденных ядер растет с увеличением ядерного заряда. После Z = 83 s-процесс не работает.

А = 210? (б-активное ядро).

Происхождение этих ядер объясняется r-процессом.

Быстрый захват (tзахв << фбв) приводит к образованию более тяжелых ядер. Плотность нейтронов на короткое время в сверхновых звездах составляет 1020 см-3, и ядра перегружаются нейтронами и при последующем в-распаде приходят в область тяжелых ядер. Так образуются обойденные ядра: 116Cd, 120Sn, 124Sn.

Заряд ядра возрастает пропорционально числу в-распадов. Быстрый r-процесс был воспроизведен при взрыве водородной бомбы. При этом были обнаружены элементы: эйнштейний 253Es, фермий255Fm.

U + 15n > Es; U + 17n > Fm и в-распад.

В настоящее время в лабораторных условиях синтезированы ядра с Z = 116 и, А = 289.