На рис. 11.1 мы перечислили все известные частицы. Это строительные кирпичики Вселенной, по крайней мере такова точка зрения на данный момент, но мы ожидаем обнаружить еще несколько — возможно, мы увидим бозон Хиггса или новую частицу, связанную с существующей в большом количестве загадочной темной материей, которая, вероятно, необходима для описания всей Вселенной.
Или, возможно, нас ожидают суперсимметричные частицы, предсказанные теорией струн, или возбуждения Калуцы-Клейна, характерные для дополнительных измерений пространства, или техникварки, или лептокварки, или... теоретических рассуждений множество, и обязанность тех, кто проводит эксперименты на Большом адронном коллайдере, в том, чтобы сузить поле поиска, исключить неверные теории и указать путь вперед.
Рис. 11.1. Частицы природы
Все, что можно увидеть и потрогать; любая неодушевленная машина, любое живое существо, любая скала, любой человек на планете Земля, любая планета и любая звезда в каждой из 350 миллиардов галактик в наблюдаемой Вселенной состоит из частиц из первого столбца. Вы сами состоите из сочетания всего трех частиц — верхнего и нижнего кварков и электрона.
Кварки составляют атомное ядро, а электроны отвечают за химические процессы. Оставшаяся частица из первого столбца — нейтрино — возможно, знакома вам меньше, но Солнце пронзает каждый квадратный сантиметр вашего тела 60 миллиардами таких частиц ежесекундно. Они в основном без задержки проходят через вас и всю Землю — потому-то вы никогда их не замечали и не ощущали их присутствия. Но они, как мы вскоре увидим, играют ключевую роль в процессах, которые дают энергию Солнца, а следовательно, делают возможной саму нашу жизнь.
Эти четыре частицы образуют так называемое первое поколение материи — вместе с четырьмя фундаментальными природными взаимодействиями это все, что, судя по всему, нужно для создания Вселенной. Однако по причинам, которые пока до конца не понятны, природа предпочла снабдить нас еще двумя поколениями — клонами первого, только эти частицы более массивны. Они представлены во втором и третьем столбцах рис. 11.1.
Топ-кварк в особенности превосходит массой другие фундаментальные частицы. Он был открыт на ускорителе в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми под Чикаго в 1995 году, и его масса, согласно измерениям, более чем в 180 раз превосходит массу протона. Почему топ-кварк оказался таким монстром, притом что он столь же похож на точку, как и электрон, пока загадка. Хотя все эти дополнительные поколения материи не играют непосредственной роли в обычных делах Вселенной, они, вероятно, были ключевыми игроками сразу после Большого взрыва... Но это совсем другая история.
На рис. 11.1 в правом столбце показаны также частицы-переносчики взаимодействия. Гравитация в таблице не представлена. Попытка перенести вычисления Стандартной модели на теорию гравитации наталкиваются на определенные сложности. Отсутствие в квантовой теории гравитации некоторых важных свойств, характерных для Стандартной модели, не позволяет применять там те же методы. Мы не утверждаем, что ее не существует вовсе; теория струн — это попытка принять гравитацию во внимание, но пока успехи этой попытки ограничены. Так как гравитация очень слаба, она не играет значительной роли в экспериментах по физике частиц, и по этой весьма прагматической причине мы не будем больше о ней говорить.
Фотон служит посредником в распространении электромагнитного взаимодействия между электрически заряженными частицами, и такое поведение определяется новым правилом рассеяния. Частицы W и Z делают то же самое для слабого взаимодействия, а глюоны переносят сильное взаимодействие. Основные различия между квантовыми описаниями сил связаны с тем, что правила рассеяния различны. Да, все (почти) так просто, и некоторые новые правила рассеяния мы привели на рис. 11.2.
Рис. 11.2. Некоторые правила рассеяния для сильного и слабого взаимодействий
Сходство с квантовой электродинамикой позволяет легко понять функционирование сильного и слабого взаимодействий; нам нужно только понимать, каковы правила рассеяния для них, после чего можно начертить такие же диаграммы Фейнмана, которые мы приводили для квантовой электродинамики в прошлой главе. К счастью, изменение правил рассеяния — это очень важно для физического мира.
Если бы мы писали учебник по квантовой физике, можно было бы перейти к выводу правил рассеяния для каждого из показанных на рис. 11.2 процессов, а также для многих других. Эти правила известны как правила Фейнмана, и они впоследствии помогли бы вам — или компьютерной программе — рассчитать вероятность того или иного процесса, как мы делали это в главе о квантовой электродинамике.
Эти правила отражают нечто очень важное о нашем мире, и очень удачно, что их можно свести к набору простых картинок и положений. Но мы вообще-то не пишем учебник по квантовой физике, так что вместо этого сосредоточимся на диаграмме справа вверху: это правило рассеяния, особенно важное для жизни на Земле. Оно показывает, как верхний кварк переходит в нижний, испуская W-частицу, и это поведение приводит к грандиозным результатам в ядре Солнца.
Солнце — это газообразное море протонов, нейтронов, электронов и фотонов объемом в миллион земных шаров. Это море коллапсирует под собственной силой тяжести. Сжатие невероятной силы разогревает солнечное ядро до 15000000° C, и при такой температуре протоны начинают сливаться, формируя ядра гелия. При этом высвобождается энергия, которая увеличивает давление на внешние уровни звезды, уравновешивая внутреннюю силу тяжести.
Подробнее мы рассмотрим это расстояние шаткого равновесия в эпилоге, а сейчас просто хотим понять, что значит «протоны начинают сливаться друг с другом». Кажется, что все довольно просто, но точный механизм такого слияния в солнечном ядре был источником постоянных научных споров в 1920-1930-е годы. Британский ученый Артур Эддингтон первым предположил, что источник энергии Солнца — ядерный синтез, но быстро обнаружилось, что температура вроде бы слишком мала для запуска этого процесса в соответствии с известными на тот момент законами физики. Однако Эддингтон придерживался своего мнения. Хорошо известно его замечание: «Гелий, с которым мы имеем дело, должен был образоваться в какое-то время в каком-то месте. Мы не спорим с критиком, заявляющим, что звезды недостаточно горячи для этого процесса; мы предлагаем ему найти место пожарче».
Проблема состоит в том, что, когда два быстро движущихся протона в солнечном ядре сближаются, в результате электромагнитного взаимодействия (или, на языке квантовой электродинамики, в результате обмена фотонами) они отталкиваются. Для слияния им нужно сойтись едва ли не до полного перекрытия, а солнечные протоны, как хорошо было известно Эддингтону и его коллегам, двигаются недостаточно быстро (потому что Солнце недостаточно горячо) для преодоления взаимного электромагнитного отталкивания.
Ребус разрешается так: на авансцену выходит W-частица и спасает ситуацию. При столкновении один из протонов может превратиться в нейтрон, обратив один из своих верхних кварков в нижний, как указано на иллюстрации к правилу рассеяния на рис. 11.2. Теперь новообразованный нейтрон и оставшийся протон могут сойтись очень близко, поскольку нейтрон не несет никакого электрического заряда. На языке квантовой теории поля это значит, что обмена фотонами, при котором нейтрон и протон отталкивались бы друг от друга, не происходит. Освободившись от электромагнитного отталкивания, протон и нейтрон могут слиться вместе (в результате сильного взаимодействия), образуя дейтрон, что быстро приводит к образованию гелия, которое высвобождает энергию, дающую жизнь звезде.
Этот процесс показан на рис. 11.3 и отражает тот факт, что W-частица живет недолго, распадаясь на позитрон и нейтрино, — это и есть источник тех самых нейтрино, которые в таких количествах пролетают через ваше тело. Воинственная защита Эддингтоном синтеза как источника солнечной энергии была справедливой, хотя у него не было ни тени готового решения. W-частица, объясняющая то, что происходит, была открыта на Большом адронном коллайдере вместе с Z-частицей в 1980-е годы.
Рис. 11.3. Превращение протона в нейтрон в рамках слабого взаимодействия с испусканием позитрона и нейтрино. Без этого процесса Солнце не могло бы светить.
В завершение краткого обзора Стандартной модели обратимся к сильному взаимодействию. Правила рассеивания таковы, что только кварки могут переходить в глюоны. Более того, они с большей вероятностью сделают именно это, чем что-либо еще. Предрасположенность к испусканию глюонов — именно та причина, по которой сильное взаимодействие получило свое название и по которой рассеяние глюонов способно преодолеть электромагнитную силу отталкивания, которая могла бы привести положительно заряженный протон к разрушению. К счастью, сильное ядерное взаимодействие распространяется лишь на небольшое расстояние. Глюоны покрывают расстояние не более 1 фемтометра (10 -15 м) и вновь распадаются. Причина, по которой влияние глюонов настолько ограничено, особенно по сравнению с фотонами, способными путешествовать через всю Вселенную, состоит в том, что глюоны могут превращаться и в другие глюоны, как показано на двух последних диаграммах рис. 11.2. Эта уловка со стороны глюонов существенно отличает сильное взаимодействие от электромагнитного и ограничивает поле его деятельности содержимым атомного ядра. У фотонов подобного самоперехода нет, и это хорошо, потому что иначе вы бы не видели, что происходит у вас перед носом, потому что фотоны, летящие к вам, отталкивались бы от тех, которые двигаются вдоль вашей линии зрения. То, что мы вообще можем видеть, — одно из чудес природы, которое к тому же служит ярким напоминанием, что фотоны вообще редко взаимодействуют.
Мы не объяснили ни откуда берутся все эти новые правила, ни почему Вселенная содержит именно такой набор частиц. И на то есть свои причины: на самом деле мы не знаем ответа ни на один из этих вопросов. Частицы, из которых состоит наша Вселенная — электроны, нейтрино и кварки, — это актеры, исполняющие главные роли в разворачивающейся на наших глазах космической драме, но пока у нас нет убедительных способов объяснения, почему состав актеров должен быть именно таков.
Однако верно, что, имея список частиц, мы можем частично предсказать способ их взаимодействия друг с другом, предписываемый правилами рассеяния. Правила рассеяния физики взяли не из воздуха: во всех случаях они предсказываются на том основании, что теория, описывающая взаимодействия частиц, должна быть квантовой теорией поля с неким дополнением, получившим название калибровочной инвариантности*.
Обсуждение происхождения правил рассеяния завело бы нас слишком далеко от основного направления книги — но мы все же хотим повторить, что основные законы очень просты: Вселенная состоит из частиц, которые двигаются и взаимодействуют в соответствии с рядом правил перехода и рассеяния. Мы можем пользоваться этими правилами при вычислении вероятности того, что «нечто» происходит, складывая ряды циферблатов, причем каждый циферблат соответствует каждому способу, которым «нечто» может произойти.
* Калибровочная инвариантность означает, что теория и ее предсказания не меняются при неких преобразованиях полей, входящих в теорию. Прим. ред .
В масштабах микромира фактически теряется разница между частицами вещества и частицами (квантами) поля, поэтому в соответствии с общепринятой в настоящее время стандартной моделью все известные на сегодняшний день элементарные частицы делятся на два больших класса: частицы - источники взаимодействий и частицы - переносчики взаимодействий (рис.8.1). Частицы первого класса, в свою очередь, подразделяются на две группы, отличающиеся тем, что частицы первой группы - адроны 1 - участвуют во всех четырех фундаментальных взаимодействиях, включая сильные, а частицы второй группы - лептоны - не участвуют в сильных взаимодействиях. К адронам относится очень много различных элементарных частиц, большинство из которых имеет своего «двойника» - античастицу . Как правило, это довольно массивные частицы, с малым временем жизни. Исключение составляют нуклоны, причем считается, что время жизни протона превышает возраст Вселенной. Лептонами являются шесть элементарных частиц: электрон е, мюон и таон , а также связанные с ними три нейтрино е, и . Кроме того, каждая из этих частиц также имеет своего «двойника» - соответствующую античастицу. Все лептоны настолько похожи друг на друга по некоторым, специфическим в масштабах микромира свойствам, что мюон и таон можно было бы назвать тяжелыми электронами, а нейтрино - электронами, «потерявшими» заряд и массу. В то же время, в отличие от электронов, мюоны и таоны являются радиоактивными, а все нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом и поэтому настолько неуловимы, что, например, их поток проходит через Солнце, практически не ослабляясь. Отметим, что нейтрино в последнее время привлекают к себе огромный интерес, особенно в связи с проблемами космологии, так как считается, что в потоках нейтрино сосредоточена значительная часть массы Вселенной.
Что касается адронов, то сравнительно недавно, около 30 лет назад, физики нащупали еще один «этаж» в их строении. Рассматриваемая стандартная модель предполагает, что все адроны являются суперпозицией нескольких кварков и антикварков . Кварки различаются по свойствам, многие из которых не имеют аналогов в макромире. Различные кварки обозначаются буквами латинского алфавита: u («up»), d («down»), c («charm»), b («beauty»), s («strange»), t («truth»). Кроме того,
Рис.8.1. Стандартная модель элементарных частиц
каждый из перечисленных кварков может существовать в трех состояниях, которые называются «цветом» : «синем», «зеленом» и «красном». В последнее время стало общепринятым говорить еще и об «аромате» кварка - так называют все его параметры, не зависящие от «цвета». Конечно, все эти термины не имеют ничего общего с обычными значениями соответствующих слов. Этими вполне научными терминами обозначаются физические характеристики, которым как правило невозможно дать макроскопическую интерпретацию. Предполагается, что кварки имеют дробный электрический заряд (-е/3 и +2е/3, где е = 1,6 10 -19 Кл - заряд электрона) и взаимодействуют друг с другом с «силой», увеличивающейся с расстоянием. Поэтому кварки нельзя «разорвать», они не могут существовать отдельно друг от друга 1 . В определенном смысле кварки являются «настоящими», «истинными» элементарными частицами для адронной формы материи. Теория, описывающая поведение и свойства кварков, называется квантовой хромодинамикой .
Частицы - переносчики взаимодействий включают в себя восемь глюонов (от английского слова glue - клей), ответственных за сильные взаимодействия кварков и антикварков, фотон , осуществляющий электромагнитное взаимодействие, промежуточные бозоны , которыми обмениваются слабо-взаимодействующие частицы, и гравитон , принимающий участие в универсальном гравитационном взаимодействии между всеми частицами.
Стандартная модель - это теория, которая отображает современные представления об исходном базовом материале для построения Вселенной. Эта модель описывает, каким образом образуется материя из своих базовых компонентов, какие силы взаимодействия существуют между ее компонентами.
Суть стандартной модели
По своей структуре все элементарные частицы (нуклоны), из которых состоит так же, как и любые тяжелые частицы (адроны), состоят из еще более мелких простых частиц, называемых фундаментальными.
Такими первичными элементами материи в настоящее время считаются кварки. Наиболее легкие и распространенные кварки делятся на верхние (u) и нижние (d). Протон состоит из комбинации кварков uud, а нейтрон - udd. Заряд u-кварка равен 2/3, а у d-кварка - отрицательный заряд, -1/3. Если посчитать сумму зарядов кварков, то заряды протона и нейтрона получатся строго равными 1 и 0. Это дает основание полагать, что стандартная модель абсолютно адекватно описывает реальность.
Существует еще несколько пар кварков, которые составляют более экзотические частицы. Так, вторую пару составляют очарованный (с) и странный (s) кварки, а третью пару - истинный (t) и красивый (b).
Почти все частицы, которые смогла предсказать стандартная модель, уже открыты экспериментальным путем.
Помимо кварков, в качестве «строительного материала» выступают так называемые лептоны. Они тоже образуют три пары частиц: электрон с электронным нейтрино, мюон с мюонным нейтрино, тау-лептон с тау-лептонным нейтрино.
Кварки и лептоны, по мнению ученых, являются главным строительным материалом, на основе которого была создана современная модель Вселенной. Они взаимодействуют между собой с помощью частиц-переносчиков, которые передают силовые импульсы. Существует четыре основных вида подобного взаимодействия:
Сильное, благодаря которому кварки удерживаются внутри частиц;
Электромагнитное;
Слабое, которое приводит к формам распада;
Гравитационное.
Сильное цветовое взаимодействие переносят частицы, называемые глюонами, у которых отсутствуют масса и электрический заряд. Квантовая хромодинамика изучает именно этот тип взаимодействия.
Осуществляется путем обмена лишенными массы фотонами - квантами электромагнитного излучения.
Происходит благодаря массивным векторным бозонам, которые почти в 90 раз больше протонов.
Гравитационное взаимодействие обеспечивает обмен гравитонами, у которых нет массы. Правда, экспериментально обнаружить эти частицы пока не удалось.
Стандартная модель рассматривает первые три типа взаимодействия как три различных проявления единой природы. Под воздействием высоких температур силы, которые действуют во Вселенной, фактически сплавляются воедино, вследствие чего их невозможно потом различить. Первыми, как выяснили ученые, объединяются слабое ядерное взаимодействие и электромагнитное. В результате оно создает электрослабое взаимодействие, которое мы можем наблюдать в современных лабораториях при работе ускорителей элементарных частиц.
Теория Вселенной гласит, что в период своего возникновения, в первые миллисекунды после Большого Взрыва, грань между электромагнитными и ядерными силами отсутствовала. И только после понижения Вселенной до 10 14 К, четыре типа взаимодействия смогли разделиться и принять современный вид. Пока же температура была выше данной отметки, действовали только фундаментальные силы гравитационного, сильного и электрослабого взаимодействия.
Электрослабое взаимодействие объединяется с сильным ядерным при температуре около 10 27 К, что недостижимо в современных лабораторных условиях. Но подобными энергиями сейчас не обладает даже сама Вселенная, поэтому практически подтвердить или опровергнуть эту теорию пока не представляется возможным. Но теория, которая описывает процессы объединения взаимодействий, позволяет дать некоторые прогнозы относительно процессов, происходящих при более низких уровнях энергии. И эти прогнозы сейчас подтверждаются экспериментально.
Таким образом, стандартная модель предлагает теорию материя которой состоит из лептонов и кварков, а виды взаимодействия между этими частицами описываются в теориях великого объединения. Модель пока является неполной, поскольку она не включает гравитационное взаимодействие. С дальнейшим развитием научного знания и технологий эту модель можно будет дополнить и развить, но в настоящее время - это лучшее из того, что смогли разработать ученые.
Стандартная модель - это современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц, многократно проверенная экспериментально. Эта теория базируется на очень небольшом количестве постулатов и позволяет теоретически предсказывать свойства тысяч различных процессов в мире элементарных частиц. В подавляющем большинстве случаев эти предсказания подтверждаются экспериментом, иногда с исключительно высокой точностью, а те редкие случаи, когда предсказания Стандартной модели расходятся с опытом, становятся предметом жарких споров.
Стандартная модель - это та граница, которая отделяет достоверно известное от гипотетического в мире элементарных частиц. Несмотря на впечатляющий успех в описании экспериментов, Стандартная модель не может считаться окончательной теорией элементарных частиц. Физики уверены, что она должна быть частью некоторой более глубокой теории строения микромира . Что это за теория - достоверно пока неизвестно. Теоретики разработали большое число кандидатов на такую теорию, но только эксперимент должен показать, что из них отвечает реальной ситуации, сложившейся в нашей Вселенной. Именно поэтому физики настойчиво ищут любые отклонения от Стандартной модели, любые частицы, силы или эффекты, которые Стандартной моделью не предсказываются. Все эти явления ученые обобщенно называют «Новая физика»; именно поиск Новой физики и составляет главную задачу Большого адронного коллайдера .
Основные компоненты Стандартной модели
Рабочим инструментом Стандартной модели является квантовая теория поля - теория, приходящая на смену квантовой механике при скоростях, близких к скорости света. Ключевые объекты в ней не частицы, как в классической механике, и не «частицы-волны», как в квантовой механике, а квантовые поля : электронное, мюонное, электромагнитное, кварковое и т. д. - по одному для каждого сорта «сущностей микромира».
И вакуум, и то, что мы воспринимаем как отдельные частицы, и более сложные образования, которые нельзя свести к отдельным частицам, - всё это описывается как разные состояния полей. Когда физики употребляют слово «частица», они на самом деле имеют в виду именно эти состояния полей, а не отдельные точечные объекты.
Стандартная модель включает в себя следующие основные ингредиенты:
- Набор фундаментальных «кирпичиков» материи - шесть сортов лептонов и шесть сортов кварков . Все эти частицы являются фермионами со спином 1/2 и очень естественным образом организуются в три поколения. Многочисленные адроны - составные частицы, участвующие в сильном взаимодействии, - составлены из кварков в разных комбинациях.
- Три типа сил , действующих между фундаментальными фермионами, - электромагнитные, слабые и сильные. Слабое и электромагнитное взаимодействия являются двумя сторонами единого электрослабого взаимодействия . Сильное взаимодействие стоит отдельно, и именно оно связывает кварки в адроны.
- Все эти силы описываются на основе калибровочного принципа - они не вводятся в теорию «насильно», а словно возникают сами собой в результате требования симметричности теории относительно определенных преобразований. Отдельные виды симметричности порождают сильное и электрослабое взаимодействия.
- Несмотря на то что в самой теории имеется электрослабая симметрия, в нашем мире она самопроизвольно нарушается. Спонтанное нарушение электрослабой симметрии - необходимый элемент теории, и в рамках Стандартной модели нарушение происходит за счет хиггсовского механизма .
- Численные значения для примерно двух десятков констант : это массы фундаментальных фермионов, численные значения констант связи взаимодействий, которые характеризуют их силу, и некоторые другие величины. Все они раз и навсегда извлекаются из сравнения с опытом и при дальнейших вычислениях уже не подгоняются.
Кроме того, Стандартная модель - перенормируемая теория, то есть все эти элементы вводятся в нее таким самосогласованным способом, который, в принципе, позволяет проводить вычисления с нужной степенью точности. Впрочем, зачастую вычисления с желаемой степенью точностью оказываются неподъемно сложными, но это проблема не самой теории, а, скорее, наших вычислительных способностей.
Что может и чего не может Стандартная модель
Стандартная модель - это, во многом, описательная теория. Она не дает ответы на многие вопросы, начинающиеся с «почему»: почему частиц именно столько и именно таких? откуда взялись именно эти взаимодействия и именно с такими свойствами? зачем природе понадобилось создавать три поколения фермионов? почему численные значения параметров именно такие? Кроме того, Стандартная модель не способна описать некоторые явления, наблюдаемые в природе. В частности, в ней нет места массам нейтрино и частицам темной материи. Стандартная модель не учитывает гравитацию и неизвестно, что с этой теорией происходит на планковском масштабе энергий, когда гравитация становится чрезвычайно важной.
Если же использовать Стандартную модель по своему назначению, для предсказания результатов столкновений элементарных частиц, то она позволяет, в зависимости от конкретного процесса, выполнять вычисления с разной степенью точности.
- Для электромагнитных явлений (рассеяние электронов, энергетические уровни) точность может достигать миллионных долей и даже лучше. Рекорд тут держит аномальный магнитный момент электрона, который вычислен с точностью лучше одной миллиардной.
- Многие высокоэнергетические процессы, которые протекают за счет электрослабых взаимодействий, вычисляются с точностью лучше процента.
- Хуже всего поддается расчету сильное взаимодействие при не слишком высоких энергиях. Точность расчета таких процессов сильно варьируется: в одних случаях она может достигать процентов, в других случаях разные теоретические подходы могут давать ответы, различающиеся в несколько раз.
Стоит подчеркнуть, что тот факт, что некоторые процессы тяжело рассчитать с нужной точностью, не означает, что «теория плохая». Просто она очень сложная, и нынешних математических приемов пока не хватает, чтоб проследить все ее следствия. В частности, одна из знаменитых математических Задач тысячелетия касается проблемы конфайнмента в квантовой теории с неабелевым калибровочным взаимодействием.
Дополнительная литература:
- Базовые сведения о хиггсовском механизме можно найти в книге Л. Б. Окуня «Физика элементарных частиц» (на уровне слов и картинок) и «Лептоны и кварки» (на серьезном, но доступном уровне).
Вся материя состоит из кварков, лептонов и частиц - переносчиков взаимодействий.
Стандартной моделью сегодня принято называть теорию, наилучшим образом отражающую наши представления об исходном материале, из которого изначально построена Вселенная. Она же описывает, как именно материя образуется из этих базовых компонентов, и силы и механизмы взаимодействия между ними.
Со структурной точки зрения элементарные частицы, из которых состоят атомные ядра (нуклоны ), и вообще все тяжелые частицы - адроны (барионы и мезоны ) - состоят из еще более простых частиц, которые принято называть фундаментальными. В этой роли по-настоящему фундаментальных первичных элементов материи выступают кварки , электрический заряд которых равен 2/3 или –1/3 единичного положительного заряда протона. Самые распространенные и легкие кварки называют верхним и нижним и обозначают, соответственно, u (от английского up ) и d (down ). Иногда их же называют протонным и нейтронным кварком по причине того, что протон состоит из комбинации uud , а нейтрон - udd. Верхний кварк имеет заряд 2/3; нижний - отрицательный заряд –1/3 . Поскольку протон состоит из двух верхних и одного нижнего, а нейтрон - из одного верхнего и двух нижних кварков, вы можете самостоятельно убедиться, что суммарный заряд протона и нейтрона получается строго равным 1 и 0, и удостовериться, что в этом Стандартная модель адекватно описывает реальность. Две другие пары кварков входят в состав более экзотических частиц. Кварки из второй пары называют очарованным - c (от charmed ) и странным - s (от strange ). Третью пару составляют истинный - t (от truth , или в англ. традиции top ) и красивый - b (от beauty , или в англ. традиции bottom ) кварки. Практически все частицы, предсказываемые Стандартной моделью и состоящие из различных комбинаций кварков, уже открыты экспериментально.
Другой строительный набор состоит из кирпичиков, называемых лептонами. Самый распространенный из лептонов - давно нам знакомый электрон , входящий в структуру атомов, но не участвующий в ядерных взаимодействиях, ограничиваясь межатомными. Помимо него (и парной ему античастицы под названием позитрон ) к лептонам относятся более тяжелые частицы - мюон и тау-лептон с их античастицами. Кроме того, каждому лептону сопоставлена своя незаряженная частица с нулевой (или практически нулевой) массой покоя; такие частицы называются, соответственно, электронное, мюонное или таонное нейтрино .
Итак, лептоны, подобно кваркам, также образуют три «семейных пары». Такая симметрия не ускользнула от наблюдательных глаз теоретиков, однако убедительного объяснения ей до сих пор не предложено. Как бы то ни было, кварки и лептоны представляют собой основной строительный материал Вселенной.
Чтобы понять оборотную сторону медали - характер сил взаимодействия между кварками и лептонами, - нужно понять, как современные физики-теоретики интерпретируют само понятие силы. В этом нам поможет аналогия. Представьте себе двух лодочников, гребущих на встречных курсах по реке Кэм в Кэмбридже. Один гребец от щедрости душевной решил угостить коллегу шампанским и, когда они проплывали друг мимо друга, кинул ему полную бутылку шампанского. В результате действия закона сохранения импульса, когда первый гребец кинул бутылку, курс его лодки отклонился от прямолинейного в противоположную сторону, а когда второй гребец поймал бутылку, ее импульс передался ему, и вторая лодка также отклонилась от прямолинейного курса, но уже в противоположную сторону. Таким образом, в результате обмена шампанским обе лодки изменили направление. Согласно законам механики Ньютона это означает, что между лодками произошло силовое взаимодействие. Но ведь лодки не вступали между собой в прямое соприкосновение? Здесь мы и видим наглядно, и понимаем интуитивно, что сила взаимодействия между лодками была передана носителем импульса - бутылкой шампанского. Физики назвали бы ее переносчиком взаимодействия.
В точности так же и силовые взаимодействия между частицами происходят посредством обмена частицами-переносчиками этих взаимодействий. Фактически, различие между фундаментальными силами взаимодействия между частицами мы и проводим лишь постольку, поскольку в роли переносчиков этих взаимодействий выступают разные частицы. Таких взаимодействий четыре: сильное (именно оно удерживает кварки внутри частиц), электромагнитное , слабое (именно оно приводит к некоторым формам радиоактивного распада) игравитационное. Переносчиками сильного цветового взаимодействия являются глюоны , не обладающие ни массой, ни электрическим зарядом. Этот тип взаимодействия описывается квантовой хромодинамикой . Электромагнитное взаимодействие происходит посредством обмена квантами электромагнитного излучения, которые называются фотонами и также лишены массы. Слабое взаимодействие, напротив, передается массивными векторными или калибровочными бозонами , которые «весят» в 80-90 раз больше протона, - в лабораторных условиях их впервые удалось обнаружить лишь в начале 1980-х годов. Наконец, гравитационное взаимодействие передается посредством обмена не обладающими собственной массой гравитонами - этих посредников пока что экспериментально обнаружить не удалось.
В рамках Стандартной модели первые три типа фундаментальных взаимодействий удалось объединить, и они более не рассматриваются по отдельности, а считаются тремя различными проявлениями силы единой природы. Возвращаясь к аналогии, предположим, что другая пара гребцов, проплывая друг мимо друга по реке Кэм, обменялась не бутылкой шампанского, а всего лишь стаканчиком мороженого. От этого лодки также отклонятся от курса в противоположные стороны, но значительно слабее. Стороннему наблюдателю может показаться, что в этих двух случаях между лодками действовали разные силы: в первом случае произошел обмен жидкостью (бутылку я предлагаю во внимание не принимать, поскольку большинству из нас интересно ее содержимое), а во втором - твердым телом (мороженым). А теперь представьте, что в Кембридже в тот день стояла редкостная для северных мест летняя жара, и мороженое в полете растаяло. То есть, достаточно некоторого повышения температуры, чтобы понять, что, фактически, взаимодействие не зависит от того, жидкое или твердое тело выступает в роли его переносчика. Единственная причина, по которой нам представлялось, что между лодками действуют различные силы, состояла во внешнем отличии переносчика-мороженого, вызванном недостаточной для его плавления температурой. Поднимите температуру - и силы взаимодействия предстанут наглядно едиными.
Силы, действующие во Вселенной, также сплавляются воедино при высоких энергиях (температурах) взаимодействия, после чего различить их невозможно. Первыми объединяются (именно так это принято называть) слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия. В результате мы получаем так называемое электрослабое взаимодействие , наблюдаемое даже лабораторно при энергиях, развиваемых современными ускорителями элементарных частиц. В ранней Вселенной энергии были столь высоки, что в первые 10 –10 секунды после Большого взрыва не было грани между слабыми ядерными и электромагнитными силами. Лишь после того, как средняя температура Вселенной понизилась до 10 14 K, все четыре наблюдаемые сегодня силовые взаимодействия разделились и приняли современный вид. Пока температура была выше этой отметки, действовали лишь три фундаментальные силы: сильного, объединенного электрослабого и гравитационного взаимодействий.
Объединение электрослабого и сильного ядерного взаимодействия происходит при температурах порядка 10 27 К. В лабораторных условиях такие энергии сегодня недостижимы. Самый мощный современный ускоритель - строящийся в настоящее время на границе Франции и Швейцарии Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider) - сможет разгонять частицы до энергий, которые составляют всего 0,000000001% от необходимой для объединения электрослабого и сильного ядерного взаимодействий. Так что, вероятно, экспериментального подтверждения этого объединения ждать нам придется долго. Таких энергий нет и в современной Вселенной, однако в первые 10 –35 с ее существования температура Вселенной была выше 10 27 К, и во Вселенной действовало всего две силы - электросильного и гравитационного взаимодействия. Теории, описывающие эти процессы, называют «теориями Великого объединения» (ТВО). Напрямую проверить ТВО нельзя, но они дают определенные прогнозы и относительно процессов, протекающих при более низких энергиях. На сегодняшний день все предсказания ТВО для относительно низких температур и энергий подтверждаются экспериментально.
Итак, Стандартная модель, в обобщенном виде, представляет собой теорию строения Вселенной, в которой материя состоит из кварков и лептонов, а сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия между ними описываются теориями великого объединения. Такая модель, очевидно, не полна, поскольку не включает гравитацию. Предположительно, более полная теория со временем все-таки будет разработана (см. Универсальные теории), а на сегодня Стандартная модель - это лучшее из того, что мы имеем.
«Элементы»
Loading...