XXXIII. Подсказки и ограничения

Замечание о возможных дополнительных поколениях частиц, сделанное, когда мы покидали ресторан, приводит нас к здравому соображению. Хотя нелегко исключить что-либо из рассмотрения, лежащее достаточно далеко на востоке, кое-что мы можем сказать даже сейчас, еще не посетив эти места. Мы знаем, что любые возможные последующие поколения частиц не могут быть слишком похожими на первые три – в частности, мы знаем, что они не содержат маломассивных нейтрино, как другие три поколения. Нам это известно из подробных исследований Бозонии – особенно исследований Z-бозонов, полученных в электрон-позитронных столкновениях на Большом электрон-позитронном ускорителе в ЦЕРНе и на Стэнфордском линейном ускорителе в Калифорнии. В этих экспериментах рождался Z-бозон путем аннигиляции электронов и позитронов. Этот Z-бозон распадается очень быстро на менее массивные частицы, и поэтому мы не обнаруживаем его напрямую: он представляет собой одну из тех виртуальных частиц, которые не должны обладать точным значением массы. Тем не менее, реальный Z-бозон имеет массу 91 ГэВ, и если вы настроите энергии встречных пучков частиц на 45,5 ГэВ каждый, то энергия в системе центра масс как раз будет соответствовать созданию реальных Z-бозонов. Это как раз то, что делали во время экспериментов, и при этой величине энергии существует большой пик вероятности электрон-позитронной аннигиляции, что и означает существование этого бозона.

Тем не менее, Z-бозон тоже может быть виртуальным, и в этом случае он не должен обладать точным значением массы. Если энергии пучков постепенно удаляются от оптимального значения, то вероятность падает относительно медленно – она не падает мгновенно до нуля. Виртуальные Z-бозоны все еще могут участвовать в процессах обмена частицами. Скорость, с которой вероятность падает по обе стороны от пика, определяет то, что мы называем шириной распада Z-бозона.

Ширину распада можно рассматривать как неопределенность в массе или энергии. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что мы не можем одновременно знать как положение, так и импульс частицы с абсолютной уверенностью. Чем точнее мы знаем импульс, тем менее уверенными мы можем быть в определении положения частицы, и наоборот.

Тот же принцип применим ко времени и энергии. Неопределенность энергии связана с неопределенностью во времени. Если неопределенность во времени мала, энергия частицы не может быть точно известна, в то время как если энергия точно известна, мы не можем точно определить момент времени. Сказанное означает, что если для Z-бозона время жизни коротко, то его ширина распада велика. Для стабильных частиц время жизни бесконечно велико, а ширина распада равна нулю, т. е. они имеют определенную массу. Исходя из этого, что мы можем сказать о возможном количестве поколений частиц? Скорость распада Z-бозона зависит от количества частиц, до которых он может распадаться. Иногда Z-бозон распадается на нейтрино, которые были невидимы для детекторов в ЦЕРН и Стэнфорде. Но число типов нейтрино, на которые может распадаться Z-бозон, влияет на его время жизни, и таким образом, на его ширину распада. Так, чем больше типов нейтрино, тем быстрее распадается Z-бозон и тем больше его ширина распада. А ширину распада можно измерить с помощью видимых частиц – электронов, мюонов или кварков.

Именно из этого измерения мы знаем, что существуют три и только три типа нейтрино, и, таким образом, только три поколения частиц. Конечно, это в предположении, что все нейтрино взаимодействуют с Z-бозоном одинаковым образом. Всегда остается вероятность, что существуют еще поколения частиц со странными нейтрино: почти все может произойти на востоке. Но любые новые поколения не будут копиями трех нам известных. Если что-то и будет, то будет совсем по-другому.

Более явно признаки некоего произвола можно увидеть уже в стандартной модели. Например, теоретически для сильного взаимодействия было бы очень легко нарушить симметрию материи – антиматерии, но это не так. Почему? Видимо, есть что-то, о чем мы пока не знаем, мешающее сильному взаимодействию уважать эту симметрию. Очень заманчиво думать, что эти признаки произвола в выборе параметров неизбежно фиксируются какой-то пока неизвестной нам симметрией или общим принципом, присущим более всеобъемлющей теории. Стандартная модель может оказаться только частью гораздо более обширных земель, для которых вся наша карта – это просто скромная западная область.

Честно говоря, мы уже устали от всего этого… Многие недели в пути сделали свое дело, которое довершили хорошие закуски и горячие дискуссии. Есть, безусловно, веские основания полагать, что на востоке еще предстоит сделать важные и интересные открытия, но нет единого мнения о том, куда именно идти, что искать в первую очередь или как путешествовать.

Мы решили задержаться на некоторое время в этом довольно приятном приморском городке и подождать других исследователей, чтобы поговорить с ними, прежде чем планировать новые экспедиции. Мы станем завсегдатаями баров и пабов и будем слушать разные байки. Картографы в нашей группе будут с удовольствием фантазировать, представляя, что может нас поджидать в еще неизведанных землях.

Наша заключительная экспедиция – это экспедиция воображения. Какие монстры могут находиться за пределами нашей карты и какими принципами мы можем руководствоваться в нашем мысленном путешествии?