Про пингвинов и квантовую физику

[Terra Cee]

Этот пост создан по просьбе LikeIason. В нём будут физика, пингвины и игра в дартс. Но прежде чем перейти к интересностям, придётся вооружиться кое-какими знаниями.

Диаграммы Фейнмана и для чего они нужны

Элементарные частицы — мельчайшие кирпичики мироздания, не имеющие внутренней структуры (по крайней мере, мы пока таковую не обнаружили). Все частицы делятся на две большие группы: фермионы и бозоны.
Фермионы — строительный материал, из которого состоит вещество. К ним относятся:
1) Электрон и его более тяжёлые и нестабильные "версии" — мюон и тау.
2) Нейтрино, почти безмассовые частицы, очень слабо взаимодействующие в веществом. Бывают трёх сортов: электронное, мюонное и тау.
3) Кварки шести сортов, различающихся массой. У кварков много необычных свойств, одно из них заключается в том, что кварки не существуют поодиночке. Все кварки живут внутри адронов. Адрон, состоящий из кварка и антикварка, называется мезоном, из трёх кварков — барионом. Протон и нейтрон — барионы, в их состав входят легчайшие кварки.
Взаимодействие фермионов в квантовой теории поля описывается как испускание и поглощение бозонов. Нам известно 4 фундаментальных взаимодействия, каждому соответствуют свои бозоны.
1) Электромагнитное взаимодействие. Ему соответствует фотон — безмассовая частица, не имеющая заряда. Обмениваться фотонами могут только электрически заряженные частицы.
2) Сильное взаимодействие. Удерживает кварки внутри адронов. Ему соответствуют глюоны (от английского glue — "клей". Особенность глюонов в том, что один глюон может самопроизвольно превратиться в два глюона. Поэтому сильное взаимодействие не ослабевает с увеличением расстояния, а наоборот, усиливается.
3) Слабое взаимодействие. Называется так, потому что его бозоны — заряженные W-бозоны и нейтральный Z-бозон — очень тяжёлые (как атом рубидия), и родить их не каждая частица сможет. Испустив W-бозон, мюон может распасться на электрон и два нейтрино, а кварк может превратиться в другой кварк.
4) Гравитационное взаимодействие. Все без исключения частицы участвуют в нём. Проблема в том, что до сих пор не существует адекватной квантовой теории гравитации. Хорошо, что гравитация — самое слабое из всех взаимодействий, поэтому для таких маленьких предметов, как элементарные частицы, им можно пренебречь.
У каждой частиц есть античастица с противоположным зарядом.

Человек так устроен, что лучше понимает то, что может представить. Но элементарные частицы невозможно увидеть, как же тогда быть? Американский физик Ричард Фейнман придумал способ изобразить взаимодействие частиц с помощью картинок, названных фейнмановскими диаграммами. Сейчас мы увидим, как они работают.

Представим себе два электрона, летящих друг навстречу другу. Электроны одноимённо заряжены, значит, должны отталкиваться. Таким образом, после сближения электроны полетят в других направлениях. Физик может задать вопрос: "С какой вероятностью электрон отклонится на 40 градусов от первоначального направления движения?" Для вычисления этой вероятности он нарисует фейнмановскую диаграмму этого процесса.



В простейшем случае взаимодействие электронов можно описать как испускание и поглощение одного фотона. На диаграмме электроны изображены линиями со стрелками, фотон — волнистой линией. Глядя на диаграмму, физик уже знает, как ему рассчитать вероятность.
Теперь давайте усложним процесс. Предположим, электрон излучил фотон, провзаимодействовал с другим электроном и поглотил фотон (почему бы и нет?). Тогда диаграмма будет выглядеть так:



На ней появилась петля. Диаграммы без петель называют древесными, а с петлями, очевидно, петлевыми. В данном случае процесс с петлёй гораздо менее вероятен, чем без петли, поэтому его можно не учитывать. Но если физик хочет рассчитать вероятность процесса с высокой точностью, то ему придётся учитывать все диаграммы с петлёй. Например, такие:



Здесь фотон превратился в пару b-кварк и анти-b-кварк, которая аннигилировала опять в фотон. Сейчас с помощью компьютеров могут рассчитывать диаграммы с пятью-шестью петлями.

Теперь, пожалуй, можно перейти к сути. Представим себе мезон, состоящий из s-кварка и анти-b-кварка. Анти-b-кварк испускает W-бозон и превращается в анти-t-кварк. Этот кварк испускает глюон, который поглощает s-кварк. Потом анти-t-кварк поглощает W-бозон и становится анти-s-кварком. Так один мезон превратился в другой. А теперь давайте нарисуем фейнмановскую диаграмму, изображающую этот процесс.



Хмм, кого-то она мне напоминает... Может, пингвина? Действительно, подобные диаграммы называют пингвинными. Вышеописанный процесс впервые был изучен А. И. Вайнштейном и М. А. Шифманом, сотрудниками ИЯФа, но название "пингвинная диаграмма" придумал Джон Эллис. Вот что он рассказывал об этом:

"Весной 1977 г. Майк Чановиц, Мэри К. и я написали статью по теории Великого объединения, предсказывающую массу b-кварка до его открытия. Когда несколько недель спустя он был обнаружен, мы с Мэри К., Дмитрием и Сержем Рудазом немедленно принялись работать над его феноменологией. Тем летом в ЦЕРНе была студентка, Мелисса Франклин, сейчас она физик-экспериментатор в Гарварде. Однажды вечером она, я и Серж пошли в паб, где я и она решили сыграть в дартс. Мы поспорили, что если я проиграю, то должен буду включить слово "пингвин" в мою следующую статью. Правда, Мелисса покинула игру до её конца, её заменил Серж, который меня победил. Тем не менее, я считал себя обязанным выполнить условие спора.
В течение некоторого времени я не понимал, как включить слово "пингвин" в статью про b-кварк, которую мы в то время писали. Однако, однажды вечером, после работы в ЦЕРНе я остановился по дороге домой у друзей, живущих в Мерене, где употребил некое запрещённое вещество . Потом, когда я пришёл домой и продолжил работать над статьёй, меня осенило, что знаменитые диаграммы похожи на пингвинов. Так мы вписали это слово в статью, а что было дальше, вы сами знаете".

Однако не всем это название понравилось. Существует рассказ о том, как во время одного из семинаров Фейнман стал активно протестовать против названия "пингвин", говоря, что соответствующие диаграммы не похожи на пингвинов. Присутствующий на семинаре Валентин Телегди возразил, что фейнмановские диаграммы не похожи на Фейнмана. Такая вот история.

@темы: новый ПЧ, ИЯФ, cool story, CERN, волшебный мир физики, я у мамы переводчик

Comments

[LikeIason]

я остановился по дороге домой у друзей, живущих в Мерене, где я употребил некое запрещённое вещество

Ох, я чувствую себя точно так же сейчас)))...

возразил, что фейнмановские диаграммы не похожи на Фейнмана.

Да он тролль)))))))))))))))))

Хорошая история!
Про частицы я еще буду читать..ибо...ибо... из всего мне запомнились названия, которые я все же слышала раньше, нейтрино и кварки..

легчайшие кварки вообще прекрасно звучит!


Terra Cee, спасибо за пост.
Если будут еще такие же, то здорово. Надо мне приучать мозг не только к слэшу)))

[Terra Cee]

LikeIason,

Да он тролль)))))))))))))))))

Учёные вообще любят друг друга троллить.

Про частицы я еще буду читать..ибо...ибо... из всего мне запомнились названия, которые я все же слышала раньше, нейтрино и кварки..

Задавай вопросы, объясню.

спасибо за пост.
Если будут еще такие же, то здорово.

Рада, что понравилось.
Когда будет свободное время, ещё напишу.

[-Соболь-]

Так вот живешь, а вокруг такие процессы происходят, от которых голова кругом!

[Terra Cee]

-Соболь-, да вообще. А ты их потом анализируй.

[Lubov-D]

Вроде там есть еще какая-то собака. Как-то она в Футураме промелькнула, но я не нашла по ней информацию, хотя где-то все же вскользь упоминалось.

[Terra Cee]

Lubov-D, не смотрела "Футураму" и про собаку не знаю.

[Lubov-D]

Terra Cee, хм, буду искать. А почему bottom и top-кварки здесь названы именно так, а в других местах beauty и true?

[Terra Cee]

Lubov-D, beauty и true — несколько устаревшие названия.

[Lubov-D]

Terra Cee, а почему поменялись? Ведь top и bottom означают верхние и нижние, а такие уже есть: up и down

[Terra Cee]

Lubov-D, видимо, по аналогии с up и down переименовали. Я не знаю точно.