![[Перевод] Попытка написания руководства по Стандартной модели для начинающих](https://habrastorage.org/extt/77/be/5c/77be5c539bc48b667051b40a4cfe3892.webp)
Большинство людей знает, что материя состоит из атомов, а атомы — из протонов, нейтронов и электронов. Но что лежит на самом глубоком уровне реальности?
Ключевые тезисы:
На фундаментальном уровне у нас есть большой набор неделимых, элементарных частиц, из которых состоит известная нам Вселенная: кварки, заряженные лептоны, нейтрино, калибровочные бозоны — переносчики взаимодействий, а также бозон Хиггса.
Эти частицы и связи между ними образуют Стандартную модель — нашу лучшую модель для объяснения того, из чего состоит реальность на фундаментальном уровне. Она объясняет не всё, но то, что известно и непосредственно измеримо, объясняет феноменально хорошо.
Что, если вы никогда прежде не сталкивались со Стандартной моделью и не заходили в понимании природы материи глубже протонов, нейтронов и электронов? Это руководство доведёт вас до переднего края современной физики частиц.
Тысячи лет человечество задавалось вопросом: что же именно на самом фундаментальном, элементарном уровне, составляет всё, что мы видим, слышим или с чем иным образом взаимодействуем во Вселенной? Поначалу идеи множились без счёта: от учения о стихиях (элементах) до представления о едином первоначале всего сущего и о мельчайших «кирпичиках» материи в виде разнообразных геометрических тел. Лишь в XIX веке, когда мы начали разлагать вещество на микроскопические составляющие, молекулы и атомы, к этой проблеме удалось подойти научно. Этот прогресс продолжился в XX и уже в XXI веке.
Большинство из нас узнаёт в школе о существовании атомов, о разных видах атомов (известных как химические элементы) и о составных частях атома: атомном ядре из протонов и нейтронов, где число протонов в ядре определяет, каким элементом является атом, и о гораздо менее массивных электронах, обращающихся вокруг атомного ядра. Но если на этом ваши знания заканчиваются, то наше современное понимание того, что является фундаментальным, ушло далеко за пределы этой картины. Как восполнить пробел? Именно это хочет узнать читатель под ником Logical_Error, приславший вопрос:
«Какое вводное руководство по Стандартной модели подойдёт новичку (при условии, что он знает только о протонах, нейтронах и электронах)? Больше всего меня интересуют свойства этих частиц и то, можно ли объединять их в экзотические комбинации. Сможем ли мы узнать свойства таких комбинаций?»
Руководств существует немало, но они не обязательно доступны тому, кто знает лишь о протонах, нейтронах и электронах. Начнём именно с этого распространённого, общепринятого понимания и постепенно продвинемся к сегодняшним рубежам науки.
Научный путь к пониманию того, из чего состоит материя, начался не со способов исследования структуры материи (физики частиц), а с химии. Цель состояла в том, чтобы понять, как различные компоненты вещества соединяются и распадаются, и именно добавляя к системе разные формы энергии (как химическую, так и тепловую), можно было начать выделять атомы разных видов.
Когда нам удалось их выделить, обнаружилось, что каждый «вид» атомов, чаще называемый элементом:
имел разный вес (массу),
но всегда один и тот же электрический заряд ядра (положительный),
мог существовать в разных степенях ионизации,
требовал разных затрат энергии для достижения этой ионизации, в зависимости от типа элемента,
более или менее охотно соединялся с различными другими элементами,
и как поглощал свет на строго определённых наборах частот, так и испускал свет на тех же самых частотах,
и всё это зависело от того, какой элемент исследовался.
Атомы могли существовать изолированно, могли соединяться химическими связями в молекулы, могли терять или приобретать электроны, образуя ионы, могли связываться разноимённо заряженными ионами в соли, могли растворяться в воде, образуя кислоты и основания, и т.д. Благодаря бесчисленным возможностям, которые открывали атомы и их составляющие, можно было объяснить весь физический мир (и многое из того, что лежит за его пределами).
Однако, несмотря на само название «атом», происходящее от греческого ἄτομος — «неделимый», эти объекты оказались разделимыми.
Ключевым открытием, приведшим к этому пониманию, стала радиоактивность. Если сами по себе «сырые» атомы способны испускать излучение, например, альфа-, бета- и гамма-частицы (сегодня известно, что это ядра гелия-4, электроны и фотоны соответственно), значит, сами атомы состоят из более мелких, субатомных составляющих. Работы Дж. Дж. Томсона с трубками катодных лучей привели к открытию отрицательно заряженного электрона, а опыт Резерфорда с золотой фольгой показал, что основная часть массы атома сосредоточена в положительно заряженной, очень малой области пространства — атомном ядре. Несколько десятилетий спустя обстрел бериллиевой фольги альфа-частицами дал поток нейтрального излучения, который вскоре был отождествлён с нейтронами. Казалось, протонов, нейтронов и электронов достаточно, чтобы полностью описать атомы нашей Вселенной.
Но этими частицами список не исчерпывался. Мы поднимали высотные аэростаты и брали с собой детекторные камеры; там, в стратосфере, мы видели не только треки, соответствующие атомным ядрам, их составляющим и электронам, но и частицы других типов:
позитроны — с той же массой, что у электрона, но с противоположным зарядом,
и мюоны с антимюонами, похожие на электроны и позитроны, но в сотни раз массивнее.
Кроме того, эксперименты с радиоактивным распадом указывали на существование очень легких нейтральных частиц — нейтрино и антинейтрино; а если гипотеза об антиматерии верна, то у протонов и нейтронов тоже должны быть античастицы-двойники: антипротоны и антинейтроны.
Один тип распада, бета-распад, особенно сильно намекал на наличие внутренней структуры у протонов и нейтронов. При всех бета-распадах материнское ядро:
сохраняет почти в точности ту же массу, уменьшая её лишь совсем незначительно,
испускает быстрый электрон, движущийся почти со скоростью света,
меняет свой вид (увеличивают зарядовое число), смещаясь на один элемент «вверх» по периодической таблице,
и если сложить полные энергию и импульс испущенного электрона и образовавшегося ядра, оказывается, что малая доля и того и другого теряется: они не сохраняются.
Выглядело так, словно нейтрон внутри исходного ядра превратился в протон, «выплюнул» электрон и при этом либо потерял часть энергии и импульса, либо испустил ещё «что-то», чего не видно. Другие подсказки (такие идеи, как сохранение барионного числа, сохранение лептонного числа, сохранение момента импульса и т. д.) указывали, чем могло быть это «что-то»: лёгкой, быстро движущейся, нейтральной антиматериальной версией лептона — антинейтрино.
Главный вопрос, разумеется, состоял в том, как всё это происходит? Что творится внутри протонов и нейтронов, что запускает эти процессы? Хотя антинейтрино было наконец напрямую зарегистрировано в 1956 году (более чем через четверть века после того, как его предсказали!), появилась новая идея, как исследовать внутреннюю структуру протона и нейтрона: идея физики столкновений высоких энергий, то есть коллайдеров.
Для понимания принципа работы коллайдера важны два ключевых момента.
Первый — это понятие волны материи, известной также как волна де Бройля. В квантовой физике хорошо известно, что свет может вести себя и как волна, и как частица: распространяться в пространстве как волна, но взаимодействовать как частица, когда встречает другой квант. Одно из ключевых свойств волн в физике таково: если длина волны больше размера того объекта, с которым вы пытаетесь взаимодействовать, волна проходит прямо сквозь него. (Именно поэтому межзвёздная пыль непрозрачна для видимого света, но прозрачна для более длинноволнового инфракрасного.) Другое ключевое свойство: длина любой волны (световой или волны материи), тем меньше, чем выше её энергия. Следовательно, чтобы исследовать всё меньшие масштабы, нужны частицы всё больших энергий.
Второй момент — это понимание самой знаменитой формулы Эйнштейна: E = mc2. Если взять две частицы и столкнуть их, останется некоторая энергия E — та, что «избыточна» после учёта и масс покоя всех частиц, и той кинетической энергии, которая необходима для сохранения импульса между всеми входящими и выходящими частицами. Эта избыточная энергия, известная как энергия в системе центра масс (или центра импульса), доступна для рождения новых частиц, в том числе новых пар «частица-античастица», если все необходимые квантовые характеристики (заряд, импульс, момент импульса и т.д.) в целом сохраняются.
Потребовалась определённая энергия, чтобы «раскрыть» атомное ядро и обнаружить внутри отдельные протоны и нейтроны. При несколько больших энергиях мы начали «раскрывать» отдельные протоны и нейтроны — этот метод известен как глубоко неупругое рассеяние. При энергиях выше примерно 200-300 МэВ, это около 20-30 % энергии покоя протона, мы начинаем проникать внутрь самого протона. Результатом таких экспериментов становится рождение новых частиц: не обязательно фундаментальных, но частиц того рода, который прежде никогда не наблюдали, — мезонов.
Мезоны живут недолго, но дольше всех живут пионы и каоны, до нескольких десятков наносекунд. При распадах каоны обычно распадаются в пионы, пионы обычно распадаются в мюоны (и нейтрино/антинейтрино), а мюоны, в свою очередь, распадаются в электроны/позитроны (и нейтринно-антинейтринные комбинации). Наблюдаемые сохраняющиеся величины включают:
электрический заряд,
лептонное число,
барионное число,
импульс,
момент импульса (включая как спиновый, так и орбитальный момент),
и лептонное число семейства (где электронное, мюонное и тауное семейства представляют три семейства).
Протоны и нейтроны — барионы; электроны, мюоны, тау-лептоны и нейтрино — лептоны; мезоны не относятся ни к тем, ни к другим, как и частицы вроде фотона.
С экспериментами для всё более высоких энергий и со всё более чувствительными детекторами мы начали создавать более экзотические частицы: более тяжёлые и короткоживущие барионы и мезоны, большинство из которых обладает более сложными цепочками распадов, чем относительно простые пионы и каоны. Мы создали нейтральные пионы и каоны, а также η-, η′- и ρ-мезоны. Мы создали экзотические барионы: лямбда-, сигма-, кси-частицы и омега-частицу. Мы создали резонансные частицы, живущие всего иоктосекунду (10-24 секунды), а также ещё более тяжёлого «родственника» электрона и мюона — тау-лептон.
Всё это долгое время называли «зоопарком» элементарных частиц. Теоретики изобретали всевозможные модели, пытаясь упорядочить огромное число частиц, рождавшихся на коллайдерах. Одна из идей состояла в том, что пионы — это комбинации протонов, антипротонов, нейтронов и антинейтронов, потерявшие большую часть массы за счёт энергии связи: модель Сакаты. Другая — что более тяжёлые барионы, тяжёлые мезоны и тяжёлые лептоны суть просто возбуждённые состояния более легких частиц, таких как протоны, нейтроны и электроны; но это противоречило «недостающей энергии» в лептонных распадах и идее сохранения лептонного числа семейства.
В конце концов появились две идеи, оказавшиеся эквивалентными: партонная модель внутреннего состояния барионов и мезонов и кварковая модель внутренней структуры этих частиц.
Главная идея заключалась в том, что внутри протона и нейтрона есть дробно заряженные частицы — верхний (u) и нижний (d) кварки, которые движутся внутри и связаны новой силой, в дополнение к привычным гравитационной и электромагнитной: сильным ядерным взаимодействием. В отличие от гравитации и электромагнетизма, которые притягивают (или отталкивают) сильнее всего, когда два «заряда» ближе всего друг к другу, сильное ядерное взаимодействие ведёт себя скорее как пружина. Когда два заряда близко, сила между ними падает до нуля, как у нерастянутой пружины. Но по мере удаления зарядов друг от друга сила растёт, и именно это удерживает кварки (частицы с новым типом «цветового заряда») взаперти внутри барионов и мезонов.
Помимо гравитации, электромагнетизма и сильного ядерного взаимодействия существует также слабое ядерное взаимодействие — сила, ответственная за радиоактивные распады. Это единственное взаимодействие, которое позволяет частицам (кваркам и лептонам) менять свой вид, превращаясь из одних в другие. Такие превращения включают:
превращение нижнего кварка в верхний кварк, электрон и электронное антинейтрино,
превращение положительно заряженного мюона в позитрон, электронное нейтрино и мюонное антинейтрино,
распад нейтрального каона, содержащего странный кварк, на два пиона,
или распад отрицательно заряженного пиона на отрицательно заряженный мюон и мюонное антинейтрино.
Оказывается, благодаря наблюдениям, у нас есть три поколения кварков и лептонов (верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный для кварков; электрон, мюон и тау-лептон плюс соответствующее нейтрино — для лептонов), а также глюоны, W- и Z-бозоны и фотон — среди бозонов. Ко всему этому у нас есть ещё и бозон Хиггса: единственная «безспиновая» частица Стандартной модели.
Самый важный (и не самый интуитивный) способ объединения частиц в Стандартной модели касается комбинаций кварков и/или антикварков: в барионы, антибарионы и мезоны, то есть в частицы, которые мы называем адронами. Каждому кварку приписан цвет: мы считаем их красным, зелёным и синим. Если сложить все три цвета, получится белый, то есть бесцветное состояние. (Именно таковы барионы, самые известные из которых — протон и нейтрон.) Аналогично каждому антикварку приписан антицвет: голубой (циан), пурпурный (маджента) и жёлтый. Если сложить все три антицвета, тоже получится бесцветная комбинация. (Это даёт антибарионы, такие как антипротоны, которые первоначально называли «негатронами», а также антинейтроны.)
И, конечно, можно сложить цвет и его антицвет, получив бесцветную комбинацию: именно таков мезон, например пион или каон. Если вам пришла в голову мысль спросить, можно ли объединить:
два кварка и два антикварка,
четыре кварка и один антикварк,
или шесть кварков,
то ответ — да: это тетракварковые, пентакварковые и гексакварковые состояния (тетракварки, пентакварки и гексакварки), существование которых предсказано теоретически и для которых сегодня имеются довольно убедительные экспериментальные свидетельства. Чем тяжелее кварки и чем больше частиц мы туда «напихиваем», тем короткоживущее и нестабильнее наши составные частицы, но создать их действительно можно.
Вот, в принципе, и завершилось введение в Стандартную модель... Мы можем измерять массы покоя этих частиц Стандартной модели (и все они измерены довольно хорошо), и здесь наблюдается огромная иерархия. Фотон и глюоны безмассовые, а все три вида нейтрино невероятно легки: где-то в районе десятой доли электронвольта (0,1 эВ в энергетическом эквиваленте) каждый. Следующая по массе частица — электрон с 511 кэВ, за ним идут верхний кварк, нижний кварк, мюон, странный кварк, очарованный кварк, тау-лептон и прелестный кварк — это уже 4,7 ГэВ. Самые тяжёлые частицы — W-бозоны (80,4 ГэВ), Z-бозон (91,2 ГэВ), бозон Хиггса (125,1 ГэВ) и истинный кварк (173 ГэВ).
Стандартная модель очень хорошо объясняет, какие фундаментальные частицы существуют и каковы силовые связи между ними, но объясняет она не всё. Среди того, чего Стандартная модель не объясняет:
почему частицы имеют именно такие массы покоя,
что такое тёмная материя,
почему вообще существует тёмная энергия,
как получилось, что в нашей Вселенной материи (барионов и заряженных лептонов) больше, чем антиматерии,
и как гравитация вписывается в общую картину с остальными известными взаимодействиями.
Стандартная модель, завершённая теоретически в начале 1970-х и завершённая наблюдательно в 2012 году с открытием бозона Хиггса, — это железобетонный фундамент современной физики частиц и самое верное, самое полное описание реальности, когда-либо созданное человечеством. Когда-нибудь мы надеемся выйти за её пределы, но пока это доведённая до самого рубежа «стартовая линия», с которой будут начинаться все наши следующие шаги.
Комментарии 0