ТОЧНОСТЬ В ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

В физике элементарных частиц мы пытаемся найти базовые правила, управляющие самыми мелкими и фундаментальными компонентами вещества, которые мы в состоянии обнаружить. Отдельный эксперимент здесь – это не измерения во множестве происходящих одновременно столкновений или периодически повторяющихся взаимодействий. Наши прогнозы относятся к единичным столкновениям известных частиц при определенной энергии. Частицы приходят в точку столкновения, взаимодействуют, а затем пролетают через детекторы, по пути, как правило, отдавая энергию. Физики, говоря о столкновении частиц, используют конкретные характеристики этих частиц – массу, энергию и заряд.

В этом отношении, несмотря на техническую сложность наших экспериментов, физике элементарных частиц повезло. Системы, которые мы изучаем, должны быть как можно более простыми, чтобы можно было выделить в них фундаментальные компоненты и законы. Идея в том, чтобы сделать экспериментальные системы настолько чистыми, насколько позволяют имеющиеся ресурсы. Проблема для физиков заключается скорее в том, чтобы достичь требуемых физических параметров, а не в том, чтобы распутать и упростить сложные системы. Эксперименты сложны, потому что науке приходится все дальше отодвигать границы непознанного. Поэтому они часто проводятся на пределе энергий и расстояний, достижимых при данном уровне развития технологий.

По правде говоря, эксперименты в физике элементарных частиц вовсе не так просты, как кажется, даже если речь идет об изучении точных фундаментальных величин. Представляя полученные результаты, ученые непременно сталкиваются с одной из двух проблем. Если они увидели что‑то необычное, то должны доказать, что это не может быть результатом какого‑то тривиального события в рамках Стандартной модели. Если они не увидели ничего нового, то, прежде чем заявлять, что этого нового не существует в рамках тех ограничений, которые установлены для исследователей в данный момент, они должны быть полностью уверены в том, что эксперименты проводились при адекватном уровне точности. Физики должны разбираться в чувствительности измерительной аппаратуры достаточно хорошо, чтобы понимать, что можно исключить, а что необходимо учитывать.

Чтобы быть уверенными в результате, экспериментаторы должны четко отличать те явления, что могут свидетельствовать о новой физике, от фоновых событий, возникающих в результате взаимодействия известных физических частиц Стандартной модели. Именно поэтому, чтобы сделать открытие, нам нужно увидеть множество столкновений. Из множества столкновений можно выбрать достаточно событий, представляющих новую физику, чтобы надежно отличить их от «скучных» процессов Стандартной модели, на которые они могут оказаться похожи.

Таким образом, любой наш эксперимент требует набора достаточной статистики. Самим измерениям тоже присущи неопределенности, которые делают многократное повторение необходимым. Квантовая механика говорит нам, что базовые события также обладают внутренней неопределенностью. Согласно законам квантовой механики, как бы хитроумно мы ни планировали эксперименты, в результате мы сможем получить лишь вероятность взаимодействия. Как бы мы ни проводили измерения, эта неопределенность никуда не денется. Это означает, что единственный способ точно измерить силу взаимодействия – повторить измерение много раз. Иногда эта неопределенность меньше, чем погрешность измерения, и вообще слишком мала, чтобы иметь значение. Но иногда ее необходимо принимать во внимание.

Квантово–механическая неопределенность говорит нам, к примеру, что масса распадающейся частицы неоднозначна по определению. Исходя из принципа неопределенности ни одно измерение энергии не может быть точным, если оно сделано за конечное время. Понятно, что время измерения должно быть короче, чем время жизни распадающейся частицы, и это определяет ожидаемые пределы вариации измеряемых масс. Так что если экспериментаторы обнаружили бы свидетельства существования новой частицы – те частицы, на которые она распалась, – то измерение ее массы потребовалось бы провести много раз. Ни одно из этих измерений не было бы точным, но среднее по всем измерениям значение сходилось бы к верной величине.

Во многих случаях квантово–механическая неопределенность массы меньше, чем систематическая погрешность (неизбежная ошибка) измерительной аппаратуры. Если это так, экспериментаторы могут просто не обращать внимания на квантово–механическую неопределенность массы. Но и в этом случае необходимо провести большое количество измерений, чтобы обеспечить их сходимость; причина – в вероятностном характере рассматриваемых взаимодействий. Как и в случае с испытаниями лекарственных средств, для получения верного ответа необходим большой объем статистических данных.

Важно понять, что вероятности, связанные с квантовой механикой, не совсем случайны. Вообще, эти вероятности вычисляются по вполне определенным законам. Мы убедимся в этом в главе 14, когда речь пойдет о массе W–бозона. Нам известна общая форма кривой, описывающей вероятность того, что в результате столкновения родится именно эта частица с заданной массой и заданным временем жизни. Результаты измерения энергии группируются вокруг верной величины, а их распределение согласуется с временем жизни частицы и принципом неопределенности. Хотя ни по одному из измерений в отдельности нельзя определить массу, по совокупности множества измерений это сделать можно. Существует вполне определенная процедура, позволяющая вывести массу частицы из среднего результата многократно повторенных измерений. Если измерений достаточно, экспериментаторы могут определить верную массу с определенным уровнем прецизионности (сходимости) и точности (правильности).

ИЗМЕРЕНИЯ И БАК

Вероятностная природа квантовой механики не подразумевает, что мы, по сути, ничего не знаем. Более того, зачастую все обстоит как раз наоборот. Нам известно достаточно много. К примеру, магнитный момент электрона – это его неотъемлемая характеристика, которую мы можем вычислить с высочайшей точностью при помощи квантовой теории поля , в которой сочетаются квантовая механика и специальная теория относительности и которая служит инструментом для изучения физических свойств элементарных частиц. Мой коллега по Гарварду Джеральд Гэбриелз измерил магнитный момент электрона с точностью до 13 значащих цифр, и он согласуется с прогнозом примерно в такой же степени. Уровень погрешности здесь составляет менее одной триллионной, что делает магнитный момент электрона физической константой, для которой теоретический прогноз и результат измерений согласуются лучше всего.

Никто, кроме физиков, не способен с такой точностью прогнозировать явления окружающего мира. Большинство людей при виде такой точности сказали бы, что и теория, и предсказанные ею явления известны абсолютно точно. Ученые же считают, что измерения и наблюдения, какими бы точными они ни были, всегда оставляют место для неожиданных открытий и новых идей.

Однако они всегда могут определить конкретный предел для масштаба этих новых явлений. Новые гипотезы могут изменять предсказания, но лишь на уровне неопределенности сегодняшних измерений или на еще более тонком уровне. Иногда предсказанные новые эффекты так слабы, что мы не надеемся добраться до них даже за время жизни Вселенной; в подобных случаях даже ученые способны делать определенные заявления типа: «Этого не произойдет никогда».

Очевидно, измерения Гэбриелза свидетельствуют о том, что квантовая теория поля верна с очень высокой степенью точности. Но даже в этом случае мы не можем гарантировать, что не существует ничего, кроме квантовой теории поля, физики элементарных частиц или Стандартной модели. Как объяснялось в главе 1, под видимой сегодня картиной могут скрываться новые факты, действие которых проявляется только на следующих энергетических уровнях или при еще более точных измерениях. Поскольку нам не удалось пока экспериментально исследовать соответствующие диапазоны расстояний и энергий, ответа на этот вопрос у нас нет.

Эксперименты на БАКе проходят при более высоких энергиях, чем все, что нам удавалось получить до сих пор, и потому открывают для нас новые возможности – возможности открытия новых частиц или взаимодействий непосредственно, путем наблюдений, а не через косвенные эффекты, которые можно зарегистрировать лишь при самых точных измерениях. По всей видимости, измерения на БАКе не достигнут энергий достаточно высоких, чтобы на них проявились отклонения от квантовой теории поля. Но не исключено, что они помогут обнаружить другие явления, которые могли бы предсказать отклонения от прогнозов Стандартной модели; не исключено, что это коснется даже точно измеренного магнитного момента электрона.

Для любой физической модели, более фундаментальной, чем Стандартная модель, даже самое мелкое предсказанное отклонение – где внутренний механизм невиданной до сих пор теории даст видимый эффект – стало бы ценнейшим указанием на фундаментальную природу реальности. Отсутствие до сих пор подобных несоответствий говорит об уровне точности существующей теории и о том, насколько высокие энергии надо задействовать, чтобы обнаружить что‑нибудь новое, даже не зная в точности природы потенциально новых явлений.

Но настоящий урок эффективной теории заключается в том, что мы по–настоящему приходим к пониманию и объекта исследования, и связанных с этим ограничений только тогда, когда доходим до предела ее применимости. Эффективные теории, учитывающие существующие ограничения, не только классифицируют наши идеи на данном масштабе, но и говорят, при помощи каких последовательных методов можно определить, насколько серьезными могут оказаться новые эффекты при каждом конкретном значении энергии.

Измерения электромагнитного и слабого взаимодействий согласуются с предсказаниями Стандартной модели на уровне 0,1%. Частота столкновений частиц, их массы, скорости распада и другие характеристики совпадают с предсказанными величинами именно на этом уровне точности и сходимости. Таким образом, Стандартная модель оставляет место для новых открытий; новые физические теории, возможно, предскажут отклонения от нее, но эти отклонения должны быть достаточно слабыми, поскольку они оставались незамеченными до сих пор. Эффект от любого нового явления или фундаментальной теории должен оказаться слишком слабым, чтобы до сих пор его никто не заметил, – либо потому, что сами взаимодействия очень слабы, либо потому, что эффекты эти связаны со слишком тяжелыми частицами, которые не удается получить при достигнутых до сих пор энергиях. Существующие измерения демонстрируют, насколько высокие энергии нужны для непосредственного обнаружения новых частиц или новых взаимодействий, не способных вызвать более серьезных отклонений, чем позволяют текущие неопределенности. Они говорят нам также о том, насколько редкими должны быть подобные события. Существенно повышая точность измерений или проводя опыты в других физических условиях, экспериментаторы ищут отклонения от модели, при помощи которой до сих пор описываются все экспериментальные результаты физики элементарных частиц.

Нынешние эксперименты основаны на представлении, что новые идеи строятся на базе успешной эффективной теории, применимой на более низком уровне энергий. Их цель – открыть новое вещество или новые взаимодействия, не забывая, что физика собирает знания от масштаба к масштабу. Изучая явления при максимальных достижимых на БАКе энергиях, мы надеемся отыскать теорию, лежащую в основе всего, что мы до сих пор наблюдали. Даже если мы не сможем воочию увидеть никаких новых явлений, данные БАКа дадут нам ценные и жесткие ограничения на явления и теории, которые могут существовать за пределами Стандартной модели. И если наши теоретические рассуждения верны, новые явления со временем появятся, но на более высоких энергиях, нежели те, что генерирует сейчас БАК. Подобные открытия вынудят нас расширить Стандартную модель или включить ее в более полную концепцию. Мы полагаем, что более полная модель будет работать с большей точностью на более широком диапазоне расстояний и энергий.

Мы не знаем, которая из теорий окажется верной. Мы не знаем также, когда будут сделаны новые открытия. Ответы на эти вопросы зависят от того, как на самом деле устроен мир, – а мы этого не знаем, ведь иначе нам не пришлось бы ничего исследовать. Но для любой конкретной гипотезы об устройстве мироздания мы представляем, как вычислить проверяемые следствия и определить, когда примерно их можно будет проверить. В двух следующих главах мы рассмотрим, как проводятся эксперименты на БАКе, а затем в части IV поговорим о том, как физики создают модели и предсказывают, что можно будет увидеть в ходе эксперимента.

Поиск по сайту: