На сегодняшний день принято считать (и, соответственно, писать в учебниках и научно-популярных работах), что практически «всё, происходящее в нашем мире, за исключением эффектов гравитации, является следствием Стандартной Модели частиц, взаимодействующих согласно правилам и уравнениям теории; три последних десятилетия точнейшие эксперименты тестировали и проверяли СМ в мельчайших деталях, подтвердив все ее предсказания» [1]…

Но увы, как это часто бывает, столь красивая картина получается лишь при условии, если полностью игнорировать «неудобные» эксперименты, результаты которых никак не подтверждают теорию. А результатов подобных немало.

В качестве ярчайшего тому примера можно привести известные среди специалистов, но по сию пору так и не нашедшие объяснения эксперименты американского исследователя Алана Криша, ныне директора Центра спиновой физики при Мичиганском университете. Еще в начале 1970-х годов Криш одним из первых заинтересовался опытами с упорядоченными протон-протонными взаимодействиями – когда пучок протонов с поляризованным спином бомбардирует спин-поляризованную протонную мишень.

Для пояснения сути эксперимента можно напомнить, что на простейшем уровне протон представляют крошечным шариком, вращающимся вокруг своей оси. Соответствующий угловой момент, а также направленную ось вращения называют спином. Обычно спины, то есть оси множества вращающихся протонов направлены в случайных направлениях. Если же все оси-стрелки упорядочить в одном направлении, то это называют спиновой поляризацией частиц. Алан Криш и его коллеги освоили технологии поляризации протонов, как движущихся в ускоряемом пучке высокой энергии, так и стационарных, находящихся в неподвижной мишени, чтобы сталкивать их при разных направлениях спина.

*

Результаты измерений в этих экспериментах, проводившихся на ускорителе Аргоннской лаборатории в 1975-1978 годах, оказались поразительными. Когда спины сталкиваемых протонов совпадали по направлению, то рассеяние сталкиваемых частиц происходило вполне обычно и предсказуемо – аналогично неполяризованным столкновениям. Но вот когда спин протона в пучке был антипараллелен (противоположно направлен) спину протонов мишени, то сечение рассеяния очень резко падало. По словам самого Криша, для некоторой части протонов картина столкновения частиц теперь была такая, «словно они проходили друг сквозь друга».[2]

Когда эти данные впервые были представлены научному миру в 1977-1978 годах, специалисты были потрясены, поскольку результат абсолютно не вписывался в теорию квантовой хромодинамики. Эта теория, кратко именуемая КХД, к тому времени уже стала доминировать в физике и сегодня является частью Стандартной Модели, отвечающей за сильные ядерные взаимодействия, в частности, за описание структуры протона и его поведение. Но теория КХД давала ученым уверенность, что таких результатов, как у Криша, быть не должно. Спиновые эффекты частиц обязаны исчезать при высоких энергиях взаимодействий.

В последующие годы было предпринято множество усилий, чтобы дать теоретическое обоснование «неприятным» экспериментальным данным, однако ни одна из попыток не признана успешной. Видный физик-теоретик, «отец» теории электрослабых взаимодействий и нобелевский лауреат Шелдон Глэшоу охарактеризовал данный эксперимент как «шип в боку квантовой хромодинамики».[3]

Одной из существенных особенностей ранних опытов Криша было то, что необычные результаты были получены на довольно маломощном по нынешним меркам ускорителе с энергией пучка 12 ГэВ (1 гигаэлектронвольт, т.е. миллиард эВ, является общепринятой единицей измерения энергии в данной области и примерно эквивалентен массе протона или нейтрона в состоянии покоя). И хотя КХД оказалась не способна объяснить серьезнейшие расхождения теории с экспериментальными результатами Криша, теоретики сделали вполне четкие предсказания картины рассеяния для дальнейших опытов – столкновений спин-поляризованных протонов в новых ускорителях с более высокой энергией.

**

Однако результаты опытов и Криша, и других физиков-экспериментаторов в течение 1980-х годов опять разошлись с предсказаниям Стандартной Модели. Картина расхождений оказалась столь значительной, что сторонники КХД в связи с этими экспериментами стали высказывать сильные сомнения в верности получаемых при опытах данных.

Подобные обвинения воспринимаются экспериментаторами очень серьезно, поэтому в ответ на них Криш и его коллеги, в конце 1980-х работавшие в Брукхейвенской лаборатории, создали усовершенствованную протон-поляризованную мишень, обеспечивающую высочайший уровень измерений и небывалую прежде степень – 96% – поляризации спинов частиц. Проведенные в 1990 году эксперименты с новой мишенью и протонным пучком значительно более высокой энергии убедительно продемонстрировали еще большее расхождение опыта с теорией.[4]

С максимальной достоверностью было показано, что при очень сильных упругих столкновениях протонов имеются чрезвычайно большие спиновые эффекты, в то время как по предсказаниям КХД никаких спиновых эффектов быть не должно. В частности, было показано, что когда протоны с энергией 24 ГэВ бомбардируют неподвижную мишень поляризованных протонов, то примерно на 50% больше протонов пучка отражались налево, чем направо. Теория же предсказывает, что протоны пучка в равных долях должны рассеиваться направо и налево.

Публикация новых, весьма сильных экспериментальных данных вызвала довольно своеобразную реакцию со стороны физиков, в подавляющем большинстве уже отдавших предпочтение КХД. С этой поры теоретики перестали делать точные предсказания относительно параметров взаимодействий, при которых спиновые эффекты должны исчезать.

***

Поскольку эксперименты со спином протона указывали на серьезные изъяны в общепринятой теории, статьи Криша и его коллег, а также других экспериментаторов, работающих в данной области, явно или неявно стали призывом к пересмотру КХД и разработке новой теории, согласующейся с получаемыми в опытах результатами для спиновых эффектов.

Однако реальным результатом этих усилий стало то, что спиновые эксперименты стали заметно терять популярность в научных кругах, а имя Криша и его опыты – продолжающиеся до настоящего времени – все реже стали упоминаться в научно-популярных публикациях. Например, в одном из наиболее уважаемых в мире изданий, журнале Scentific American, рассказ о работах Криша последний раз появлялся в 1987 году [5]. При этом, если оценивать ситуацию по существу, можно констатировать, что и спустя тридцать с лишним лет после открытия феномен сильных спиновых эффектов по-прежнему остается одной из неразрешенных загадок физики.

Дабы хоть как-то скрасить эту безрадостную картину, в 1990-е годы была выдвинута идея, что КХД по некоторым неясным пока причинам может вообще не работать для упругих рассеяний, где частицы не меняют свою структуру при взаимодействиях. Таким образом, упругие рассеяния теперь стали рассматриваться как «менее фундаментальные», нежели неупругие рассеяния (изменяющие состав частиц), где, по мнению теоретиков, Стандартная Модель и квантовая хромодинамика в частности должны работать.

Но и здесь экспериментаторы не смогли порадовать теоретиков. Во множестве исследовательских центров Америки, Европы и Японии (Fermilab, CERN, KEK и др.) в течение 1980-1990-х годов были проведены разнообразные эксперименты, так или иначе затрагивающие эффекты спиновой поляризации. И по сути все полученные там данные так и не подтвердили предсказания КХД о том, что спиновые эффекты должны исчезать при высоких энергиях неупругих столкновений.[6]

←Ранее

↑На уровень вверх↑

Далее→

[1] Gordon Kane. “The Dawn of Physics Beyond The Standard Model”. Scientific American, July 2003, p. 68-75.

[2] Krisch A.D. “The spin of the proton”. Scientific American, May 1979, p. 68-80.

[3] Krisch A.D. “Violent Collisions of Spinning Protons”. XIth International Conference on Elastic and Diffractive Scattering, Chateau de Blois, France, May 2005 (arXiv: hep-ex/0511040)

[4] Peterson Ivars. “Proton spin plays key role in smash hits — collisions between subatomic particles”. Science News, Nov 3, 1990

[5] Krisch A.D. “Collisions Between Spinning Protons”. Scientific American, August 1987, p. 42-50

[6] Krisch A.D. “Violent Collisions of Spinning Protons”. arXiv: hep-ex/0511040