Тау-лептон: живи быстро, уйди молодым
Вы, вероятно, никогда не слышали об элементарной частице под названием тау-лептон. А зря. Потому что она весьма занимательна. Поэтому закрывайте окна и двери, наливайте чай с малиной и поехали.
В физике элементарных частиц существует одно понятие с очень неудачным названием: «поколение». Стандартная модель субатомных частиц делит фермионы на три таких «поколения».
И это название сбивает с толку. Потому что фермионы одного поколения не являются «детьми» фермионов другого поколения. Или какими-то производными от предыдущих поколений. Единственное, что отличает одно поколение от другого – это масса. Частицы первого поколения лёгкие, второго поколения потяжелее, а третьего поколения самые тяжёлые.
Чем дальше в лес, тем толще фермионы
Частицы в разных поколениях одной и той же «династии» идентичны по всем своим свойствам и взаимодействиям (заряду, цвету, действующим на них силам и т. д.). Они абсолютно одинаковы. Кроме массы. И, как следствие, от этого страдает их стабильность: частицы следующего поколения менее стабильны, чем частицы предыдущего.
Вот взять, к примеру, всеми нами любимый мюон. Это почти то же самое, что и электрон. Разница между частицами есть только в массе и стабильности. Вы, наверное, уже видите связь между ними с точки зрения «поколений»? Да, всё верно. Электрон – это фермион первого поколения. А мюон, его более тяжёлый брат – второго.
И сегодня, если Вы еще не знали этого раньше, Вам предстоит познакомиться с третьим поколением, частицей под названием тау-лептон.
Та же самая «система» справедлива и по отношению к другим известным частицам. Таким, например, как кварки: верхние и нижние кварки – это первое поколение, странный и очарованный – второе поколение, а истинный и красивый кварки – третье.
И для нейтрино тоже такая классификация подходит. Электронное нейтрино – это первое поколение, мюонное нейтрино – второе, тау-нейтрино – третье.
Всё что мы можем увидеть своими собственными глазами (и почти всё во Вселенной), состоит из частиц, которые относятся к первому поколению. Потому что кроме нейтрино все частицы второго и третьего поколения нестабильны. И чем «старше» поколение, тем больше масса и, следовательно, нестабильность, как уже отмечалось выше. Мюон, например, живёт всего две миллионные доли секунды. Однако это долгожитель по сравнению с тау-лептоном!
Тау-лептон и его упитанные братья
Физики, кстати, не уверены, что четвёртого поколения фермионов не существует. Возможно, что они есть. Просто время жизни этих частиц настолько мало, что их просто невозможно обнаружить, используя современные научные инструменты. Это могут быть частицы, которые рождаются и умирают ещё до того, как остальная часть Вселенной сможет осознать их существование. Кроме того, эти частицы будут настолько массивными, что для их образования потребуются столкновения с гигантской энергией. Будущие ускорители частиц, конечно, будут пытаться найти их. Но четвёртого поколения может и не существовать.
Но давайте, наконец, сосредоточимся на сегодняшней частице, тау-лептоне. Как мы уже говорили, это «брат» электрона в третьем поколении. Или супер-супер-электрон. А мюон – супер-электрон. Его масса примерно в двести раз больше массы электрона. А масса тау-лептона примерно в 17 раз больше массы мюона. То есть примерно в 3500 раз больше массы электрона! Это очень много. Тау-лептон почти в два раза тяжелее протона!
Эта частица настолько массивна, что является единственным лептоном, который может распадаться на кварки. Например, тау-лептон может распадаться на тау-антинейтрино и W-бозон (о котором мы обязательно поговорим), который, в свою очередь, может распадаться, среди прочего, на нижний кварк и анти-верхний кварк.
Но жизнь тау-лептона очень коротка. Она длиться всего… 2,9⋅10^-13 секунды. Насколько это мало наверное трудно понять. Но попробуем. За такой интервал времени, например, фотон проходит сквозь лист бумаги. Да, тау-лептон пожить не успевает совсем.
Поэтому потребовалось много лет, прежде чем учёным удалось обнаружить эту частицу.
Открытие тау-лептона
В ходе экспериментов, проводимых между 1974 и 1979 годами физик Мартин Льюис Перл и его коллеги вдруг поняли, что обнаружили новую, ранее неизвестную частицу. Она появлялась при реакциях распада, которые учёные наблюдали при столкновении двух высокоэнергетичных электронов. В ходе этого процесса фиксировалась частица, не соответствовавшая ничему ранее известному. И это «что-то» очень быстро исчезало, распавшись на другие частицы.
Характеристики новой частицы можно было вывести из тех, которые её произвели, и частиц, на которые распался «незваный гость». Поэтому относительно скоро стало известно, что это должна быть массивная частица с зарядом -1.
Через несколько лет наличие новой частицы было подтверждено. Хотя это было крайне сложно сделать из-за её недолгой жизни. Эта частица получила имя «тау-лептон».
За это открытие Перл получил в 1995 году Нобелевскую премию.
Сообщение Тау-лептон: живи быстро, уйди молодым появились сначала на Живой Космос.