Так глубоко в структуру мироздания физики еще никогда не забирались

Общий вид установки COMPASS и схема полученных с ее помощью частиц. Иллюстрация Physorg

Волны материи и корпускулы света

За 10 лет работы в Европейском центре ядерных исследований в Женеве (ЦЕРН) Большого адронного коллайдера (LHC, «сталкивателя» элементарных частиц), помимо бозона Хиггса, было открыто около полусотни новых нуклонов. То есть частиц, из которых состоит атомное ядро. Это свидетельствует, по мнению физиков, о неполноте так называемой Стандартной теории строения материи на фундаментальном уровне. Для решения некоторых проблем, связанных с этим, в ЦЕРНе были сконструированы новые детекторы элементарных частиц КОМПАСС и АМБЕР.

По сути, это крупномасштабные эксперименты, проводимые наряду с другими на кольцевой «трубе», в которой сталкивают пучки разогнанных до околосветовой (релятивистской) скорости адронов, или ядерных протонов. Отличие эксперимента КОМПАСС в том, что при столкновении протонов особое внимание обращается на мюоны. Это элементарные частицы, мезоны, которые занимают промежуточное (мезо) положение между легкими лептонами и тяжелыми барионами. Яркий пример лептона – электрон, а бариона – протон, который почти в 2000 раз тяжелее первого.

Аббревиатура КОМПАСС расшифровывается как COmmon Muon And Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy (COMPASS). Это аппарат длиной 60 м для разгона пучка. Помогает ему «янтарный уголек» AMBER (Apparatus for Meson and Baryon Experimental Research).

История этих исследований берет начало в 1971 году, когда впервые удалось столкнуть друг с другом два пучка. С помощью «сталкивателя»-коллайдера ученые надеялись понять природу разнообразия адронов, которых в 60-е годы с помощью ускорителей и в космических лучах открыли более 100. Как выражаются физики, «зоопарк элементарных частиц».

Ситуацию частично разрешил американский физик-теоретик и лауреат Нобелевской премии Мюррей Гелл-Манн (1929–2019), предположивший существование кварков (он и предложил ввести этот термин) в качестве составляющих протоны и нейтроны «кирпичиков». Нобелевскую премию ему дали как раз за эту работу. Барионный протон обладает целым спином – в отличие от электрона, у которого спин 1/2, – является одновременно и бозоном, названным в честь индийского физика Бозе, работавшего с Эйнштейном (атомный «конденсат» назван Бозе-Эйнштейновским, или ВЕС).

Бозоны прославил Питер Хиггс, предсказавший существование бозона, который придает массу практически всем частицам. Экспериментальное обнаружение в ЦЕРНе бозона Хиггса также было отмечено Нобелевской премией. Гелл-Манн отметился также и тем, что предсказал существование частиц – тетра- и пентакварков. Они также были недавно открыты.

Остается добавить, что за 10 лет работы Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, помимо бозона Хиггса, было открыто около полусотни новых адронов. Это говорит о наличии множества вопросов к Стандартной теории строения нашего и иных миров. Для ответа на эти вопросы и были сконструированы КОМПАСС и АМБЕР.

Опыты с COMPASS проводила международная команда, в которой были и российские физики. Им удалось открыть новый вид сингулярности частиц, так называемую треугольную, или триангулярную, сингулярность. Статья ученых опубликована в журнале Physical Review Letters. Авторам впервые удалось продемонстрировать в секторе легких мезонов триангулярную сингулярность («единство»). Можно напомнить, что под сингулярностью астрофизики понимают черную дыру, в которой уже нет разделения на протоны, нейтроны и электроны…

Помогали женевцам их коллеги из Технического университета в Мюнхене. Они справедливо указали на то, что лишь небольшая часть протонной массы (около 5%) объясняется через действие бозона Хиггса. Неясен и механизм «наделения» адронов массой в результате сильного взаимодействия (удерживающего кварки вместе). Поэтому становятся настойчивыми пожелания физиков построить во много раз большее кольцо, в котором адроны будут разгоняться до несравненно больших энергий.

На другом полюсе физических размеров сотрудники сеульского Института фундаментальных наук в очередной раз подошли к решению вопроса о природе дуализма волна–частица. Известно, что Ньютон был сторонником корпускулярной теории света как потока физических частиц. С этим категорически были не согласны Гюйгенс, Лейбниц, Эйлер.

Глазной врач Томас Юнг, практиковавший в Лондоне, открыл в начале XIX века интерференцию света (перекрытие световых пучков), доказывающую волновую природу фотонов. Спустя век Альберт Эйнштейн при описании фотоэффекта утверждал, что световые частицы представляют собой корпускулы. Именно за объяснение механизма фотоэффекта Эйнштейн и получил Нобелевскую премию. Против были отцы-основатели квантовой физики, предложив понятие «волновой пакет».

И вот в Сеуле с помощью двух лазеров с длинами волн 530 и 1542 нанометра доказали наличие WPD (Wave-Particle Duality), или двойственность, которую под названием комплементарности (дополнительности) еще в 1928 году предложил датский физик-теоретик Нильс Бор. Статья корейских физиков опубликована в приложении к журналу Science. Можно напомнить, что комплементарны ладони наших рук и две цепи ДНК. Когда-то говорили о комплементарности стыковочного узла кораблей «Союз»–«Аполлон» (названного инженерами андрогинным).