2.5. Тау-лептон

Тау-лептон возглавляет третье поколение в семействе лептонов и самый тяжелый из них (электрон, мюон и τ-лептон) – 1784 Мэв, также обладает полуцелым спином, зарядом электрона, временем жизни 2,9 х 10^—13 c и характерным ядерным размером 10^—16 см в соответствии с САП. Количество поколений лептонов пока не объяснено в рамках существующих теорий. На фото 2.23 приведена схема волноводов фазового пространства τ-лептона.

Фиг. 2.23 Сравнение схемы и размера четверть-волноводов электрона (слева), мюона (посредине) и тау-лептона (справа).

Согласно САП, электрон, мюон и тау-лептон – это точечные частица, у них нет внутренней структуры. Существует «легкий» аналог мюона – электрон, и «тяжелый» аналог – тау-лептон. Тау-лептон был получен искусственно в 1975 году на электрон-позитронном на коллайдере SPEAR в Национальной ускорительной лаборатории SLAC (Стэнфорд, США) М. Перлом с сотрудниками. Тау-лептоны образовывались в коллайдере при ускорении электронов до суммарной энергией 2—3,5 Гэв.

Однако, как сообщает автор этих лептонов: «Рождение тау-лептонов детектор зафиксировать не мог, так как они из-за короткого времени жизни распадались поблизости от места рождения, не долетев до него. Поэтому обнаружить тау-лептон можно было только по заряженным продуктам его распада – мюонам, электронам и другим».

При ускорении в коллайдере SPEAR, когда скорость электронов почти достигает скорости света, дальнейший разгон частиц становится невозможен, но начинает расти их масса-внутренняя энергия. Полная энергия складывается из энергии движения, переданной частице ускоряемым внешним переменным электрическим полем в электронвольтах (эВ, Кэв, Мэв, Гэв) и внутренней энергии. При достижении этой энергии более 106 Мэв электрон превращается в заряженный мюон, а расчёт и изменение внутренней энергии заряженной одноконтурной частицы идёт по формуле Планка, т.е. произведением его фундаментальной константы на частоту излучения четверть-волноводов магнитным монополем ГЭММ.

Существенные потери энергии лептонов происходят на излучение синхротронного излучения при искривлении траектории движения пучков в магнитном поле. В линейных ускорителях этого эффекта не происходит. Ускоряясь в электрическом поле до энергии 3,5 – 4 Гэв мюон, как и электрон, поэтапно превращается в более энергетический тау-лептон со структурой, характерной для одноконтурных частиц с полуцелым спином, размером ГЭММ около 10^—25 см, с частотой пульсаций около 2,6 х 10²⁴ Гц и размером четверть-волновода около 3 х 10^—15 см.

Механизм превращения.

При движении электрона в составе сгустка в переменном электрическом поле вокруг его ГЭММ индуктируются синхронные сферы магнитных монополей, которые затем сливаются друг с другом и магнитным монополем ГЭММ электрона, увеличивая его значение, частоту колебаний, уменьшают его размер и размер четверть волноводов его излучения. Достигая соответствующих параметров мюона, электрон превращается в мюон. Аналогичный процесс происходит с мюоном – он превращается в тау-лептон – очень короткоживущий, который при распаде порождает ливень продуктов, в том числе и мюон.

В настоящее время наиболее простым и более эффективным методом считается ускорения электронов с энергией 35 мегаэлектронвольт с помощью лазерных импульсов и волновода с диэлектрическим покрытием стенок. Ученые¹⁹⁰ незначительно увеличили исходную энергию электронов, но за счет крайне короткого участка воздействия достигли темпа ускорения в два мегаэлектронвольта на метр. Однако Морган Хибберд (Morgan Hibberd) из Манчестерского университета и его коллеги использовали мощный лазер для прямого воздействия на летящие сквозь его луч электроны. В этом методе заряженные частицы напрямую взаимодействуют с фотонами электромагнитного поля, которые порождает лазер, приобретая тем самым энергию. Этот эффект можно проиллюстрировать наглядно фото 2.24.

Фото 2.24. Излучаемый фотон в состоянии активной фазы движения и перезарядки магнитного монополя на полволне волновода развернутого электрического вихревого поля из электропотенциалов с локальными значениями в фотоне U1, U2=0 и U3= – U1. Внизу входящий электрон в фотон, ускоряемый им до мюона и тау-лептона. Синии шарики вокруг ГЭММ частиц – это индуктируемые вокруг них движением магнитные монополи микровихронов.

Для ускорения пучков в коллайдере SPEAR до номинальных энергий в основном кольце использовалась высокочастотная (ВЧ) ускоряющая система. Частицы с разными знаками зарядов ускоряются в разных фазах электромагнитного СВЧ-поля поэтапно в стационарной и на бегущей волне и пространственно разведены в кольце.

А, например, в БЭПК сверхпроводящие (СП) резонаторы работали на частоте 352 МГц. Частицы проходят зазор резонатора в нарастающем электрическом поле, что обеспечивает ускорение и автофазировку частиц. Активная длина каждого СП резонатора составляла 1,7 м (что соответствовало двум длинам волн ВЧ поля). ВЧ система располагалась на длинных прямых участках кольца коллайдера. У коллайдера БЭПК (LEP) максимальное ускоряющее круговое напряжение 3560 МВ.

Этапы превращений частиц:

– при энергии Е ускоряемого электрона 0,5 МэВ, его масса-энергия m = 2m₀, а при Е = 10 МэВ m = 28m₀,

– вначале электрон ускоряется силой¹⁹¹ притяжения электрического поля до предела световой скорости (v- 0,98—0,99с, при Е- 2—4 Мэв),

– такой процесс происходит плавно вплоть до энергии выше 106 Мэв, до первого квантового перехода в мюон, у которого уже собственное гравитационное поле (масса-энергия) в 207 раз больше, чем у электрона, появляется нестабильность структуры с периодом полураспада в 2,2 х 10^—6 секунды, при распаде опять порождаются электроны,

– затем подобные процессы повторяются и с мюоном, вплоть до рождения заряженных высокоэнергетических тау-лептонов и своим временем жизни, при распаде которых опять рождаются мюоны,

– так порождаются нестабильные заряженные частицы с собственным полем и полуцелым спином, которые вместе со своими продуктами распада и регистрируются в детекторах.

Основные каналы распада тау-лептона происходят с превращением в соответствующий по заряду мюон, мюонное антинейтрино и τ-нейтрино, или электрон, электронное антинейтрино и τ-нейтрино. Более 50% распадов приходится на канал превращений с образованием легких адронов – двух каонов или 5—6 π-мезонов, которые в свою очередь опять распадаются на мюоны и электроны.

Отсюда следует, что структурный состав продуктов пучков сталкивающихся пар противоположно заряженных τ-лептонов содержит биполярные оболочки, которые при распаде превращаются в каоны, π-мезоны и полярные вихроны, а затем далее распадаются в мюоны или электроны через промежуточное состояние с полуцелым спином. Остов волновода из зёрен-потенциалов бывшего фазового пространства τ-лептона становится τ-нейтрино и уносит причитающуюся ему переменную кинетическую долю энергии с места распада.

В настоящее время физики планируют проверить Стандартную Модель, изучая распады тау-лептонов. Эти частицы – родственники электронов, которые имеют такой же заряд и вообще много общего, кроме массы, которая у тау-лептонов в 3 тысячи раз больше. Именно в процессе их распада можно увидеть процессы, которые называют новой физикой. Она призвана объяснить происхождение массы, темной материи и энергии.

2.6. Мезоны

Мезоны (фото 2.25) – это промежуточные состояния распадающихся оболочек, образующих внутренние и внешние оболочки атомных ядер. Основной источник этих мезонов верхние слои атмосферы, с ядрами атомов газа которой сталкиваются космические и солнечные протоны. Процесс производства мезонов – это ионизация целых кластеров атомных ядер, т. е. ядерных оболочек, мгновенно распадающихся в более долго живущие подобные частицы с тем же спином, т. е. в мезоны. Время, которое затрачивается на переход таких микрочастиц к мезонам от момента взаимодействия до их рождения, является сугубо ядерным и оценивается порядком 10^—23 секунды. За такое время зарегистрировать истинную частицу, её структуру и другие параметры совершенно невозможно.

Фото 2.25. Таблица мезонов

Недавно Коллаборация LHCb БАКа опубликовала результаты исследования распада B-мезона на тройку адронов: ψ», π^— и K⁺. Данные совершенно однозначно свидетельствуют в пользу того, что в процессе распада на короткое время появилась и распалась «вопиюще экзотическая» частица Z (4430). Эта частица – необычный мезон, не вписывающийся в стандартные рамки и состоящий как минимум из двух кварк¹⁹²-антикварковых пар. Его существование было известно и раньше, но только сейчас стало окончательно доказано, что это реальная экзотическая частица. Со слов И. Иванова¹⁹³ по методам исследований на БАКе:

«Берут и сталкивают частицы, при этом они разлетаются, может рождаться что-то новое. Этот способ прекрасно работает, если вы хотите узнать, например, какая энергия сидит вот в этих кварках. Именно в кварках, потому что они несут основную часть энергии. Но, к сожалению, это не помогает узнать про структуру облака глюонов. Ведь это не просто какая-то плотность глюонов – это новая структура, которая как будто сама сконденсировалась и возникла».

По этому поводу есть одно очень серьёзное замечание – ни в ЦЕРНе, ни в США, ни в РФ, ни в Японии и даже в Палате мер и эталонов в Париже пока ещё не дано вообще определение субстанции энергии в САП, тем более в математических кварках.

Согласно САП кварковая модель строения адронов выглядит очень «просто». Берем кварки, комбинируем их так, чтобы их суммарный цветовой заряд – характеристика, обеспечивающая сильное взаимодействие между кварками, – скомпенсировался, и тогда должен получиться вполне жизнеспособный адрон. Минимальными для компенсации цвета являются комбинации из трех кварков или кварк-антикварковые пары. Теоретически можно соорудить и более сложные бесцветные комбинации, например шестикварковые, пентакварки (четыре кварка и один антикварк), тетракварки (два кварка и два антикварка) и так далее (фото 2.26).

Фото 2.26. Кварковое устройство пи-мезона, протона и предполагаемый кварковый состав частицы Z_c (3900) – одного из кандидатов в тетракварки. Фото из статьи E. Swanson, 2013. New Particle Hints at Four-Quark Matter

Такие адроны, не вписывающиеся в минимальную схему, называются экзотическими. С точки зрения наивной кварковой модели все эти комбинации тоже имеют право на существование. Проблема в том, что в эксперименте их нет – а точнее, не было на протяжении очень долгого времени. Если насильно взять и соединить вместе шесть кварков (например, комбинацию uuuudd) с правильными цветами, то они распределятся по двум протонам, а не образуют один большой адрон. Если поместить вместе два кварка и два антикварка, то они просто сформируют два мезона, которые разлетятся друг от друга. Почему природа ограничивается только минимальными наборами кварков и настолько «не любит» многокварковые состояния – одна из главных загадок этого раздела физики. Тот факт, что Z (4430) распадается на ψ» и π^—, означает, что это заряженная частица. Тот факт, что он распадается очень быстро, означает, что распад идет за счет сильного взаимодействия, а оно не меняет тип кварков. Поэтому если в этом процессе следить за отдельными кварками, она однозначно говорит о том, что Z (4430) не вписывается в кварк-антикварковую схему. Исследования сечений взаимодействий пучков электронов области энергий E ~ 9 ГэВ привели к открытию нового семейства частиц, имеющих в своем составе опять новый b-кварк. В 1977 году были открыты нейтральные Y-мезоны (ипсилон-мезоны) с массами в диапазоне 9.5 – 11 ГэВ – Y (9460), Y (10580), Y (11020). Несмотря на большую массу Y (9460) имел малую ширину распада Г~53 кэВ, т.е. наблюдалась ситуация аналогичная с J/ψ-мезоном. Y-мезоны являются связанными состояниями кварков b и обладают скрытой красотой (квантовоe число b (beauty, bottomness)). Массу b-кварка можно оценить как половину массы Y (9460) т.е. 4700 МэВ, b-Кварк является тяжелым аналогом d и s кварков. b-Кварк порождает новое семейство адронов, имеющих в своем составе этот кварк или антикварк. KEKB— ускоритель, представляющий собой несимметричный электрон-позитронный коллайдер. Энергия пучка электронов 8 ГэВ, позитронов – 3.5 ГэВ, что эквивалентно энергии сталкивающихся пучков в системе центра масс 10.58 ГэВ. Эта энергия соответствует энергии образования Y (4S) -ипсилон мезона. Ускорение электронов и позитронов происходит в одном туннеле длиной 3016 метров. Ускоритель KEKB имеет рекордную светимость для электрон-позитронных коллайдеров L = 2.11·10³⁴ см^—2с^—1, что позволяет получать в большом количестве мезоны, имеющие в своём составе b-кварки. На ускорителе KEKB получено большое количество стандартных мезонов, состоящих из q. Однако наряду с этим наблюдалось образование около 10 различных экзотических мезонов, состоящих из двух кварк-антикварковых пар. В частности наблюдались нейтральные состояния X (3872) и Y (4260), имеющие кварковый состав (cu), и заряженное состояние Z (4430), имеющее кварковый состав (cu). В 2011 г. в KEKB были открыты новые экзотические мезоны, названные Z_b. Z_b-мезоны имеют в своем составе b-кварки и являются заряженными частицами. Поэтому согласно утверждению авторов в их состав помимо b-кварков должна входить ещё одна кварк-антикварковая пара. Состояния были названы Z_b (10610) и Z_b (10650) в соответствии с их массами. В результате e⁺e – аннигиляции образуются b экзотический мезон Z_b и π – мезон. Z_b-мезон затем распадается на π⁺-мезон и Y-мезон. Y-мезон детектируется по его каналу распада на μ⁺μ – пару. Полученные четырехкварковые состояния мезонов представляют несомненный интерес. Однако в настоящее время существование экзотических четырехкварковых состояний мезонов достоверно не установлено и нуждается в подтверждении в других экспериментах. Существует и два типа W-бозонов – с электрическим зарядом +1 и —1 (в единицах элементарного заряда); W⁺ является античастицей для W^—. Z-бозон (или Z⁰) электрически нейтрален и является античастицей сам для себя. Все три частицы очень короткоживущие, со средним временем жизни около 3⋅10^—25 секунд. Эти бозоны – тяжеловесы среди элементарных частиц – с массой в 80,4 и 91,2 ГэВ, соответственно. W^±– и Z⁰-частицы почти в 100 раз тяжелее протона и близки к массе атомов рубидия и технеция соответственно. Масса этих бозонов очень важна для понимания слабого взаимодействия, поскольку ограничивает радиус действия слабого взаимодействия. Электромагнитные силы, напротив, имеют бесконечный радиус действия, потому что их бозон-переносчик (фотон) не имеет массы. Все три типа бозонов имеют спин 1. Испускание W⁺– или W^—-бозона может либо повысить, либо понизить электрический заряд испускающей частицы на 1 единицу и изменить спин на 1 единицу. Z⁰-бозон не может менять ни электрический заряд, ни любой другой заряд – только спин и импульс. Тот факт, что W– и Z-бозоны имеют массу, в то время как фотон массы не имеет, был главным препятствием для развития теории электрослабого взаимодействия.

Мезоны участвуют во всех известных типах взаимодействий. Поэтому их структурный состав в основном представлен частицами в состоянии с целочисленным спином. На фото 2.27 приведены схемы мгновенных структур фазовых замкнутых объёмов мезонов. В динамике движения магнитных зарядов, образующих мезоны в свободном пространстве, возможно самое широкое многообразие таких форм, зависимых от полей окружения.

Фото 2.27. Схемы π – мезонов и структуры их волноводов

π˚ – нейтральные мезоны (фото 2.27 слева), заряженные плюс и минус мезоны (позиции справа) нестабильны и имеют спин равный нулю.

Нейтральные мезоны с массой 134,98 Мэв – это промежуточное состояние замкнутых распадающихся оболочек ядер, образованные парами переходных ядерных и противоположных по знаку магнитных монополей, которые уже неспособны создавать даже нестабильные частицы с полуцелым спином. Эти монополи аналогичны тем, которые создают частицы со спином 1/2 – электроны, позитроны и мюоны, но стабильно существовать могут только в составе ядерных оболочек атомов, запертых от распада заряженными мезонами внешних оболочек. Однако их частоты и соответствующие размеры существенно выше и меньше названных. Пары из таких частиц, как и куперовские пары из электронов и электрон-позитронов, в свободном состоянии способны лишь образовывать нестабильные