XIII. Толстенькие братья и сестры электронов

Уравнения Дирака и Максвелла, а также теория относительности собраны вместе в КЭД. Эту квантово-полевую теорию мы уже использовали для наземных экспедиций с нашей картой.

Возвратившись из южных краев, блестяще оснащенные новыми знаниями, мы снова бросили якорь в порту Электрон и отправились исследовать внутренние земли неподалеку от этого порта – прежде, когда мы готовились к путешествию в землю Атома, мы пренебрегли ими.

Об электроне мы уже знаем достаточно. Так, мы знаем, что масса электрона мала. Мы знаем о его связях с землей Атома. И еще мы знаем, что у электрона есть спин и есть античастица. Что же еще, неизвестное нам, может быть скрыто во внутренних районах неподалеку от порта Электрон? Об этих местах ходят легенды. Местные жители называют свою страну «остров Лептонов». Если спросить их, что это означает, то они скажут, что из-за легкости электрона его называют лептон, от греческого слова λεπτός (leptos) – «легкий». Следующий вопрос – а есть ли другие лептоны? Езда на высокой скорости по шоссе с качественным покрытием и на отличной машине говорит нам: да, есть. На острове нам встречаются еще две частицы, которые во всех отношениях идентичны электрону, за исключением того, что они более массивны. Обе эти частицы, как и электрон, несут электрический заряд и, следовательно, подчиняются электромагнитным силам – мы можем добраться до них по дороге, отмеченной на нашей карте. Еще они обладают полуцелым спином, т. е. являются фермионами. Эти качества делают их очень похожими на электрон. Однако их масса больше массы электрона, и это обстоятельство является серьезным отличием с далеко идущими последствиями.

Поскольку частицы массивны, они способны распадаться на более легкие. Вообще частицы любят распадаться при любом удобном случае. Поскольку масса – это форма энергии, то частица – это очень, очень плотный сгусток энергии, который обладает тенденцией к распространению и более равномерному распределению, распадаясь на более легкие частицы. Представьте, что вы смогли нагреть в комнате один кубический сантиметр воздуха. Вы получите область концентрации тепловой энергии, но это недолго будет продолжаться, потому что горячий воздух почти сразу же распространится по всей комнате. Общая температура немного повысится, но довольно быстро та область, где был кубический сантиметр горячего воздуха, перестанет отличаться от остальных. Аналогичным образом, частицы распадаются и распределяют свою энергию. Чем массивнее частица, тем больше у нее способов это сделать, потому что в её распоряжении оказывается больше вариантов легких частиц.

А вот у электрона нет вариантов. Это самая легкая заряженная частица. Электрический заряд электрона сохраняется, и нет ничего, на что он может распасться. И нет ничего, что может его зарядить. Следовательно, электрон не может распадаться.

На востоке острова Лептонов лежит земля Мюонов. Мюон – частица, масса которой превышает массу электрона более чем в 200 раз. Это очень большая концентрация энергии, которая способна рассредотачиваться очень быстро. И есть, конечно, более легкая частица, которая может уносить заряд мюона, – это собственно электрон. Такой распад – единственно возможный для мюона (во всяком случае, в рамках стандартной модели физики частиц). Мюон распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино. Последние две частицы настолько легки, что не несут электрического заряда. Они занимают другую, труднодоступную часть острова Лептонов, и до сих пор до нас доходили только слухи об этих легчайших частицах. Среднее время жизни мюона до его распада – чуть больше двух микросекунд. По этой причине мюоны не играют значительной роли в земле Атома, хотя могут образовывать короткоживущие «мюонные атомы», в которых один из электронов, связанных с ядром, заменен мюоном. Наиболее распространенный источник мюонов – это верхние слои атмосферы, где приходящие из космоса частицы высоких энергий (космические лучи) сталкиваются с молекулами кислорода и азота – этого защитного покрова нашей планеты.

Дальше по дороге на восток обитает тау-лептон. Эта частица еще тяжелее. Ее масса почти в 17 раз больше, чем масса мюона. Следовательно, у тау-лептона существует еще больше возможных вариантов распада (всегда с участием по крайней мере одного нейтрино). Среднее время, в течение которого живет тау-лептон, составляет всего одну треть миллионной части микросекунды. С одной стороны, этого времени вполне достаточно, чтобы детекторы частиц смогли обнаружить стремительные тау-лептоны, рожденные в высокоэнергетических столкновениях в ускорителях частиц. С другой стороны, этого времени жизни тау-лептонам не хватит для формирования устойчивых связей в атомах или где-то еще.

Есть и еще одна деталь, которая важна для более близкого знакомства с лептонами. Как мы знаем из КЭД, магнитные поля возникают всякий раз при круговом движении электрического заряда. Таким образом, благодаря спину и электрическому заряду электроны, мюоны и тау-лептоны представляют собой крошечные магнитики с двумя полюсами, северным и южным, как у любого порядочного магнита. Напряженность магнитного поля – это важная количественная характеристика магнитного диполя частицы, которую нужно измерить. Эта характеристика зависит от спина, электрического заряда, массы и некоей физической константы, которая называется g. Величина этой константы способна многое рассказать о частице.

Для классических частиц, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни, g = –1. Представьте себе вращающийся шар, обладающий электрическим зарядом, равномерно распределенным по его объему. Если мы используем уравнения Максвелла для вычисления магнитного поля, возникающего при движении заряда вокруг оси вращения шара, то мы получим −1. Мы всегда будем получать эту величину.

Однако электроны и мюоны нельзя назвать классическими или «повседневными» частицами. Как мы видели, эти квантовые частицы, или фермионы, описываются уравнением Дирака. Из этого уравнения мы получаем спин частицы, равный ¹/₂, и величину g = –2. Сравнивая эту величину с реально измеренной, мы обнаруживаем почти полное соответствие. Для электрона g = –2,00231930436152 с погрешностью 0,00000000000054. Величина g оказывается измеренной с очень высокой точностью.

Для мюона значения очень похожи: g = –2,00233184178 с погрешностью 0,0000000012. Точность измерения оказывается несколько хуже, чем для электрона, что и следовало ожидать, потому что мюоны менее распространены, чем электроны, и быстрее распадаются. Но вот что интересно: теоретические расчеты и экспериментальные измерения для мюона расходятся на величину примерно в 3,4 стандартных отклонения, то есть существует только три шанса из 10 тысяч, что одновременно верны и теория, и наблюдения. Обнаружение такого несоответствия – это более чем достаточный повод приложить массу усилий как для расчетов, так и для более точных измерений.

Отличие измеренного результата от предсказанного Дираком значения –2 и возникший вследствие этого интерес к увеличению точности измерений этого параметра частицы говорят о том, что необходимо провести корректировку квантовой теории.

Несколько раз в наших путешествиях мы сталкивались с идеей, что в квантовой теории поля необходимо учитывать все возможности. Благодаря этой идее мы получаем правильный ответ для интерференционной картины, когда частицы проходят через щели. Поэтому электроны вокруг атомов ограничены в своем положении определенными энергетическими уровнями, и поэтому каждый уровень может содержать только два электрона. Теперь нам нужно провести расчеты для частицы, которая живет отдельно, «сама по себе».

Представьте себе, что мы стоим на обочине дороги и наблюдаем за частицей, например за электроном или мюоном. Частица находится здесь в некоторый момент времени… и продолжает оставаться здесь же в следующий момент времени. Простейший вариант такого развития событий – когда вообще ничего не происходит. Однако есть и другая возможность, а именно: в краткий миг между двумя моментами наблюдения частица успела испустить фотон и тут же вернуть его на место, так что в силу некоторой длительности промежутка времени между наблюдениями это событие осталось незамеченным. Такую возможность необходимо учитывать при расчете такого свойства частицы, как магнитный момент диполя. Существуют и более экзотические возможности. Фотон может разделиться на пару, состоящую из частицы и античастицы, которые тут же аннигилируют друг с другом обратно в фотон, который затем снова поглощается той частицей, которой был испущен, – и снова как будто ничего не произошло. Указанная возможность должна быть учтена, если ваша цель – получить точный ответ. Именно эти крошечные квантовые петли и поправки, какими бы забавными они ни выглядели, оказывают непосредственное влияние на величину g, характеризующую магнитный момент, и являются причиной того, что этот момент не совсем –2. Масса исходной частицы также влияет на величину этого параметра, поэтому для электрона и мюона величина g немного, но отличается.

Интересно то, что точный расчет всех этих крошечных переходных циклов может выявить частицы, которые не описываются стандартной моделью физики частиц. И в этом мы как раз можем найти причину того, почему для мюона измерения не согласуются с теорией. Возможно, некие таинственные неизвестные частицы, которых нет в стандартной модели и которых никто еще не наблюдал, появляются и исчезают в этих петлевых процессах, влияя на величину g. Если с увеличением точности измерений расхождение между теорией, которая дается стандартной моделью, и экспериментальными данными будет расти, это послужит сигналом, что мы находимся на дальних восточных рубежах нашей карты. Пристальное знакомство с обитателями острова Лептонов может иметь далеко идущие последствия.