Около семи лет назад физики открыли новые частицы, которые обозначили латинской буквой b (от англ. bottom — низ). Это предполагало, что существуют партнеры новых частиц, которые естественно было бы обозначить буквой t (от англ. top — верх).
Ожидалось, что такие частицы вскоре будут открыты. Однако до сих пор этого не произошло. Почему? На этот вопрос могут дать ответ эксперименты со сложными системами, состоящими из частиц b.
По-видимому, верхняя строчка таблицы элементарных частиц расположена еще выше, чем ожидалось. Частицы b и t представляют собой кварки — составляющие множества сложных частиц, к семейству которых относятся протон и нейтрон.
Все известные кварки вместе с другим основным классом фундаментальных частиц — лептонами — подразделяются на три поколения. Считают, что каждое поколение должно состоять из двух кварков и двух лептонов (и соответствующих им антикварков и антилептонов).
В первое поколение входят кварки u и d (от англ. up — вверх и down — вниз), а также лептоны — электрон и электронное нейтрино. Частицы первого поколения отвечают за существование обычного вещества во Вселенной.
Кварки второго поколения 5 называют странным (от англ. strange) и очарованным (от англ. charmed) соответственно; к этому поколению относятся также мюон и мюонное нейтрино.
Существование очарованного кварка было предсказано примерно за десять лет до его открытия, состоявшегося в 1974 г.
С помощью очарованного кварка можно было объяснить отсутствие таких распадов странного кварка, при которых испускается частица Z/0. Кварк b вместе с упорно разыскиваемым t-кварком входит в третье поколение; оно содержит также тау-лептон и тау-нейтрино.
Кварк b играет в третьем поколении ту же роль, что и странный кварк во втором; распад b-кварка, сопровождаемый испусканием частицы Z/0, никогда не наблюдался.
Поэтому и теория и эксперимент дают веские основания предполагать существование в третьем поколении частицы, подобной очарованному кварку.
Если t-кварк существует, он может оказаться слишком тяжелым, чтобы его можно было получать в экспериментах на существующих сейчас ускорителях.
В прошлом году стали говорить о том, что t-кварк обнаружен в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН), однако официальных сообщений на эту тему не появилось.
Самое большое ограничение снизу на массу t-кварка, полученное в прямых экспериментах, пока принадлежит физикам из организации DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) в Гамбурге. Они изучали последствия столкновений электронов и позитронов, ускоренных до высоких энергий.
Среди частиц, рождавшихся в столкновениях, искались следы, характерные для распадов короткоживущих t-кварков.
Сейчас энергия таких столкновений повышена до 45 ГэВ, однако никаких свидетельств распада t-кварков не обнаружено. Достигнутая энергия позволяет дать нижнюю оценку массы этого кварка.
Поскольку t-кварк должен рождаться в паре со своим антикварком в составе более сложной частицы, то необходимая для этого энергия столкновения должна по крайней мере вдвое превышать массу кварка, следовательно, масса t-кварка должна быть больше 22, 5 ГэВ.
В Станфордском ускорительном центре (SLAC) получены косвенные экспериментальные данные, отодвигающие нижнюю границу на массу t-кварка еще выше. Время жизни В-мезона, состоящего из b-кварка и одного из более легких кварков первого поколения, зависит от массы t-кварка.
Чем массивнее t-кварк, тем больше должно быть время жизни b-мезона. Исследователи в Станфорде определили время жизни b-мезона по измерениям расстояния от точки столкновения электрон-позитронных пучков, где этот мезон рождается, до точки его распада.
Положение точки распада определялось по начинающемуся в ней ливню лептонов, которые испускаются при распаде. Измеренное расстояние составляет сотые доли миллиметра.
Поскольку В-мезон летит со скоростью, равной примерно одной десятой скорости света, его время жизни должно быть около пикосекунды (10/-12 с).
Такое время жизни в четыре-пять раз больше, чем ожидалось. Отсюда можно сделать вывод, что масса t-кварка, возможно, превышает 30 ГэВ.
Сам b-кварк также является объектом детальных исследований: ведь в отсутствие t-кварка он образует самые тяжелые составные системы, позволяющие изучать динамику кварков.
Ученые, работающие на электронном накопительном кольце Корнеллского университета (Cornell Electron Storage Ring, CESR), пополнили список элементарных частиц несколькими возбужденными состояниями ипсилон-частицы, построенной из кварка b и его антикварка b.
Для таких систем приняты обозначения по аналогии с электронными состояниями атомов: в S- состояниях орбитальный угловой момент равен нулю, а в P состояниях — единице.
