Предложена модель квирков — новых элементарных частиц с необычным поведением

Рис. 1. Если попытаться разделить обычную кварк-антикварковую пару на две отдельные частицы, то между ними натягивается глюонная струна. Если струна становится слишком длинной, то она рвется, и в месте разрыва образуются новые кварк-антикварковые пары. Рис. автора новости

Если в природе существует какое-то новое силовое поле и чувствующие его тяжелые частицы, то в определенных ситуациях они могут образовывать макроскопические силовые струны, которые можно будет заметить на Большом адронном коллайдере (LHC).

В преддверии запуска Большого адронного коллайдера (он вступит в строй в конце лета 2008 года, но серьезная программа исследований на нём начнется только в 2009 году) в физике элементарных частиц сложилась не совсем обычная ситуация. С одной стороны, во всех проведенных до сих пор экспериментах Стандартная модель работала исключительно хорошо. Но с другой стороны, физики отчетливо понимают, что она не может быть окончательной теорией. Обязательно должна существовать какая-то более глубокая, более фундаментальная картина устройства нашего мира, а Стандартная модель является лишь приблизительной «проекцией» этой картины на известные сейчас частицы.

Что это будет за более глубокая теория, физики пока не знают. В отсутствие прямых экспериментальных данных дотошному теоретику открывается богатый простор для конструирования разных «надстроек» над Стандартной моделью. Какая из них относится к реальности, а какая — нет, покажет эксперимент, но пока что физики пытаются «прощупать» самые разные возможности. Условно говоря, физики хотят знать все типы теорий, которые отстоят от Стандартной модели на один-два логических шага, на одно-два предположения.

Одна из таких теорий была построена в вышедшем недавно препринте arXiv:0805.4642. Авторы этой статьи предложили модель с новыми гипотетическими частицами, названными ими квирками (quirks), которые, как выяснилось, должны обладать замечательными свойствами с точки зрения эксперимента.

Слово «quirk» было выбрано авторами из-за «игры звуков» о и и. Квирки по своему поведению похожи на кварки (а по-английски слово «quark» произносится как [kwo^rk]), только, как будет рассказано ниже, вместо сильного (strong) взаимодействия они связаны «струнным» (string) взаимодействием.

Идея авторов этой работы проста и базируется на двух предположениях.

1) Пусть в природе существует какая-то новая сила, взаимодействие нового типа, устроенное наподобие сильного взаимодействия между кварками внутри протона. Говоря научным языком, предполагается, что это некое новое калибровочное взаимодействие с ненарушенной неабелевой симметрией.^* Эту силу до сих пор никто не замечал просто потому, что известные нам частицы к ней «равнодушны» (примерно так же, как и нейтрино «равнодушны» к электрическому и магнитному полям).

2) Пусть существуют новые тяжелые частицы (это и есть квирки), которые эту силу чувствуют. Эти частицы обладают массой в области 1 ТэВ, так что они смогут рождаться на LHC, но не могли рождаться в более ранних экспериментах по причине недостаточной энергии столкновений.

Вообще говоря, идея эта не нова. Самой первой публикацией, в которой обсуждается возможность нового взаимодействия с конфайнментом на макроскопических расстояниях, является, по-видимому, статья Льва Борисовича Окуня «Тетоны», опубликованная в 1980 году в Письмах в ЖЭТФ, т. 31, стр. 156. Однако в ней были набросаны лишь самые общие черты такой модели, в то время как в обсуждаемой здесь работе (которая должным образом ссылается на статью Л. Б. Окуня) подробно разобрана динамика этой модели и возможные ее проявления в эксперименте.

Возникает вопрос: как такие квирки будут проявлять себя на LHC? Оказывается, они будут оставлять совершенно необычные следы в детекторе, и именно перечислению возникающих тут возможностей посвящена статья.

Но прежде чем браться за квирки, будет полезно напомнить, как ведут себя самые обычные кварки, сидящие внутри протона. Кварки притягиваются друг к другу за счет сильного взаимодействия, которое обеспечивает глюонное поле. Это глюонное поле обладает многими необычными свойствами, и самое замечательное из них — конфайнмент («пленение кварков»).

Конфайнмент — это явление, которое не позволяет одному кварку вырваться из окружения своих собратьев и существовать самостоятельно. Как только какая-то сила начнет вытягивать один кварк из протона (или растягивать кварк-антикварковую пару, как это показано на рис. 1), то глюонное поле перестраивается в виде силовой струны, которая в буквальном смысле натягивается между кварками. (Осторожно: описываемые здесь глюонные струны не следует путать с суперструнами или с космическими струнами!) Если сила, растягивающая кварки, невелика, то струна пересиливает ее и возвращает кварки на место. Если же растягивающая сила велика, то глюонная струна становится неустойчивой и рвется, причем на месте разрыва рождаются новые кварк-антикварковые пары. Эти кварки быстро группируются в мезоны, а мезоны уже могут удалиться друг от друга на любое расстояние.

Рис. 2. Поведение гипотетической квирк-антиквирковой пары при их разделении. Между ними тоже натягивается силовая струна, но только она не может порваться, потому что квирки слишком тяжелые. В результате струна может вырасти до макроскопических размеров. Рис. автора новости

Ключевой момент: масса обычных кварков маленькая, поэтому даже несильно растянутая струна обладает достаточной энергией для рождения кварк-антикварковых пар. Именно поэтому глюонная струна не может стать слишком длинной — ей энергетически выгодней разорваться на несколько частей, чем далеко тянуться от одного кварка к другому.

Теперь обратимся к новым гипотетическим частицам — квиркам. Для них многое из описанного выше тоже справедливо. У нового взаимодействия тоже обязан быть конфайнмент (это следует из неабелевости теории), и если в каком-то жестком процессе родились и стали разлетаться квирк с антиквирком, то между ними тоже натягивается силовая струна — правда, не глюонная, а состоящая из нового силового поля.

И тут возникает важное отличие от кварков: из-за большой массы квирков струна не может разорваться (см. рис. 2). Разрыв струны мог бы произойти только с образованием квирк-антиквирковой пары, но для ее образования требуется запасти очень большую энергию в очень маленьком объеме. А струна со слабым натяжением, пусть даже и очень длинная, этого сделать не может.

С точки зрения эксперимента возникает ряд очень интересных возможностей, которые зависят от силы натяжения струны (это свободный параметр теории, который мы заранее не знаем, поэтому вольны анализировать разные случаи).

Рис. 3. След от квирк-антиквирковой пары (показана красным цветом) в детекторе. Синим показаны обычные частицы, также рождающиеся в жестком столкновении. Рис. из обсуждаемой статьи arXiv:0805.4642

Если натяжение струны очень слабое, то она может растянуться до макроскопической длины. Получится поразительный объект — две тяжелые стабильные элементарные частицы, связанные неразрушимой силовой нитью длиной в сантиметры, метры, километры! Обычная материя эту силовую нить совершенно не ощущает, и ее присутствие можно заметить в детекторе лишь по тому, как квирк и антиквирк крутятся друг вокруг друга. На рис. 3 показаны типичные траектории этих частиц в детекторе для силовой струны длиной в метры или сантиметры.

Если же натяжение струны умеренно сильное (но всё равно не настолько сильное, чтобы разорваться), то ее размеры будут мезоскопическими — то есть много больше размеров самих частиц, но много меньше пространственного разрешения детекторов (например, порядка микрона). Тогда квирк-антиквирковая пара будет выглядеть в детекторе как одна стабильная частица, однако ее масса будет сильно меняться от случая к случаю.

Такого типа частицы физикам еще никогда не встречались в эксперименте (хотя нечто похожее — так называемые нечастицы — уже предлагалось теоретиками год назад). Авторы работы подчеркивают, что методы обработки данных, которые предполагается использовать на LHC, «не настроены» на такие возможности и вполне могут «проморгать» столь необычные объекты.

В заключение стоит подчеркнуть, что большинству физиков эта и другие подобные теории, конечно, кажутся очень экзотическими и маловероятными. Однако в их разработке есть определенная польза: они помогают осознать, в какие стороны в принципе позволительно двигаться теоретикам и какие последствия их ожидают. Опыт, накопленный при изучении таких диковинных теоретических конструкций, может оказаться полезным при построении той глубинной физической картины мира, которая придет на смену Стандартной модели.

Источник: Junhai Kang, Markus A. Luty. Macroscopic Strings and «Quirks» at Colliders // препринт arXiv:0805.4642 (29 May 2008).

Игорь Иванов

^* Небольшое пояснение про неабелевы калибровочные теории. Взаимодействия частиц тесно связаны с понятием симметрии. Электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия не постулируются отдельно от частиц, а как бы сами собой возникают из требования симметричности теории относительно внутренних преобразований (то есть изменений, не связанных с перемещением в реальном пространстве). Взаимодействия, которые возникают таким образом, называются калибровочными. На языке математики симметрии описываются с помощью групп преобразований (см. Теория групп — наука о совершенстве). Есть два больших класса групп — абелевы и неабелевы. В абелевых группах результат двух последовательных преобразований не зависит от того, в каком порядке они выполняются, а в неабелевых — зависит. Иными словами, в неабелевой группе разные преобразования «мешают» друг другу.

Как следствие, если теория взаимодействий основана на неабелевой калибровочной группе, то разные кванты силовых полей будут «мешать» друг другу, взаимодействовать друг с другом. Неабелево силовое поле притягивает друг к другу не только частицы вещества, но и разные части самого поля. Условно можно это представить так, словно силовые линии поля притягиваются друг к другу. Именно это притяжение между силовыми линиями сильного взаимодействия и заставляет их сжиматься в струну, когда расстояние между кварками становится большим.

Всё это происходит, когда симметрия «актуальная», ненарушенная; такая ситуация имеет место, например, в теории сильных взаимодействий. Но симметрия может нарушиться за счет какого-то механизма (например, электрослабая симметрия нарушена за счет хиггсовского механизма). Доказано, что, когда калибровочная симметрия нарушается, силовое поле уже не может простираться слишком далеко, и у него пропадает способность образовывать силовые струны. Чтобы такого не происходило, в квирковой модели постулируется, что симметрия не нарушена.