В каждом столкновении протонов на Большом адронном коллайдере рождаются многочисленные адроны. В подавляющем большинстве случаев это легкие и долгоживущие мезоны: пионы, каоны и т. д. Их свойства уже изучены вдоль и поперек, и они не представляют для физиков большого интереса. Однако изредка в столкновениях рождаются и более интересные частицы, например возбужденные состояния «обычных» адронов, или очарованные и прелестные адроны, или еще более экзотические мезоны, которые не сводятся к простой кварк-антикварковой схеме (см. подробности на странице Классификация адронов). Когда речь заходит об изучении свойств адронов на LHC, именно эти частицы и являются главным предметом исследования.
Весь длинный список научных вопросов, касающихся свойств этих адронов, можно условно разделить на три большие группы: адронная физика как таковая, распады адронов и CP-нарушение и осцилляции.
Адроны ради адронов
Редко встречающиеся адроны — как раз в силу своей редкости — изучены довольно плохо. Так могло получиться из-за того, что они рождаются редко, либо из-за того, что они содержат в своем составе несколько тяжелых кварков и поэтому редко какие ускорители могли их родить, либо просто потому, что их рождение и распад трудно отличить от других процессов. Поэтому изучение свойств адронов само по себе является интересной научной задачей, которую будет решать Большой адронный коллайдер. Этот раздел физики частиц часто называют адронной спектроскопией, намекая на то, что вопрос «какие бывают адроны» по своей сути напоминает вопрос «какие есть уровни энергии у атома».
Вот типичные вопросы, на которые LHC может дать ответ. Каковы масса, время жизни, спин, четность, кварковый состав этих адронов? Каковы каналы их распада? Как часто эти адроны рождаются в протонных столкновениях, в каких направлениях они вылетают и как эти свойства разных адронов соотносятся друг с другом? И наконец, насколько все эти величины согласуются с теоретическими предсказаниями на основе Стандартной модели?
Особняком стоит группа вопросов, касающихся экзотических адронов. Поскольку по-настоящему подтвержденных экзотических адронов известно мало, а свойства их неясны, любая новая информация, полученная в опыте, будет очень ценна.
Тут стоит четко сказать, что подавляющее большинство всех этих вопросов относится к адронной физике, то есть к разделу физики сильных взаимодействий, изучающих структуру адронов. Здесь не поднимаются вопросы о происхождении масс кварков, не идет речи о хиггсовском бозоне, не затрагивается Новая физика. Здесь почти всё крутится вокруг единственного, но очень сложного вопроса: как и почему кварки складываются в адроны.
(Подробнее про изучение адронной спектроскопии)
Распады адронов
Адроны могут распадаться на разные частицы, и для каждого адрона картина распадов своя. Иногда продуктами их распада могут быть другие адроны, иногда — только лептоны, иногда — комбинации и тех, и других (полулептонные распады), и наконец, изредка — распады с испусканием фотона высокой энергии (радиационные распады). Каждый канал распада имеет некоторую вероятность, причем она может оказаться как близкой к 100%, так и исключительно маленькой (редкие распады).
Говоря про распады адронов, надо понимать одну ключевую вещь: распады разного типа могут происходить за счет разных взаимодействий. Чисто адронные распады без изменения типа кварка (на жаргоне физиков, без изменения «аромата») зависят только от сильных взаимодействий; они фактически относятся к предыдущей группе вопросов. Распады с изменением кваркового аромата, лептонные и полулептонные распады — за счет слабых взаимодействий (но адронная физика тут тоже присутствует!). И наконец, сверхредкие распады, как надеются физики, могут идти и за счет какой-нибудь Новой физики. Изучение таких распадов — это проверка Стандартной модели, это еще один способ искать отклонения от нее, наряду с попытками непосредственно родить новые частицы.
(Подробнее про изучение распадов адронов)
CP-нарушение и осцилляции
Наконец, в отдельную группу следует отнести класс вопросов, касающихся двух связанных тем: CP-нарушения и осцилляций мезонов.
P-инвариантность (читается «пэ-инвариантность») — это утверждение, что какое-то свойства микромира останется неизменным и в зеркально-отраженном мире. C-инвариантность («цэ-инвариантность») — это утверждение, что какое-то свойство будет справедливо и для тех же процессов, но с античастицами. Для сильных взаимодействий обе инвариантности работают, для слабых — обе кардинально нарушаются. Однако комбинированный закон — CP(«цэпэ»)-инвариантность — почти выполняется и для слабых. Он лишь чуть-чуть нарушается, и то далеко не во всех процессах, и вот это и называется CP-нарушением.
Стандартная модель может описать CP-нарушение (см. новость Нобелевская премия по физике — 2008), но она не может его объяснить. Она не может сказать, откуда оно берется и почему оно такое слабенькое. Для объяснения тут гарантированно потребуется какая-то Новая физика, но какая именно — вот этого мы заранее не знаем! Именно поэтому изучение всех тех адронных процессов, в которых проявляется CP-нарушение, крайне необходимо для того, чтобы теоретикам на что-то опираться. А поскольку таких процессов не так-то и много, каждый из них должен изучаться с особой тщательностью.
Не стоит думать, что раз CP-нарушение — слабый эффект, то и последствия у него незначительные. Не будь CP-нарушения, во Вселенной не возникла бы асимметрия между веществом и антивеществом. А без этого дисбаланса не образовались бы знакомые нам структуры во Вселенной: галактики, звезды, планеты и мы с вами. Вещество и антивещество благополучно проаннигилировало бы друг с другом по мере расширения Вселенной, заполнив ее одним лишь остывающим реликтовым излучением. Поэтому выяснение происхождения CP-нарушения — это одновременно вопрос о происхождении всей привычной нам Вселенной.
Осцилляции мезонов означают, что когда рождается мезон с конкретной кварковой структурой, например нейтральный D-мезон (структура c-анти-u), то он начинает спонтанно превращаться в свою античастицу — анти-D-мезон (u-анти-c). Если бы D-мезон не распадался, то через некоторое время он превратился бы в свою античастицу, потом снова в частицу, и так далее — это и есть осцилляции. Осцилляции мезонов в рамках Стандартной модели происходят медленно, поэтому, если в природе имеется какой-то новый механизм такого «перетекания» вещества в антивещество, его можно попробовать заметить. Именно с этой целью физики стараются как можно точнее измерить параметры осцилляций.
