За последние 115 лет физики обнаружили, что практически всё материальное, включая камни, дождь, солнце и солнечный свет, океанские волны и радиоволны, можно описать в терминах частиц (и соответствующих им полей). Эксперименты обнаружили разнообразие типов частиц, которые на сегодняшний день кажутся нам элементарными (то есть, не состоят из более элементарных частиц). Всё сложное многообразие нашего привычного мира состоит из небольшого набора таких частиц. Остальные частицы мимолётны, они так быстро распадаются, что в обычных условиях мы их не встречаем. Но они могут хранить ключи к секретам Вселенной, остающимся недоступными для нас.
В этой статье вы найдёте небольшой обзор текущего понимания частиц и организации их в классы. Что-то вроде периодической таблицы частиц с парочкой подвохов. Кроме того, вы узнаете, что делает с частицами поле Хиггса и его критичную роль в жизни Вселенной.
Наше текущее понимание, вместе с простейшими гипотезами по поводу работы частицы и поля Хиггса сводится в набор уравнений под названием «Стандартная модель физики частиц», или просто «Стандартная модель». Элементарные частицы в Стандартной модели исторически обладают очень странными названиями, а также большим разбросом масс. На рис. 1:
• Я нарисовал более тяжёлые частицы сверху, а лёгкие – снизу. По моей логике, безмассовые частицы – это минимальный уровень, а верхнего предела для массы частиц нет. То есть, внизу есть жёсткий пол, а вверху – лишь небо.
• Вместо масс я привожу эквивалентные массы-энергии (E = mc2), которые обычно используются специалистами по физике частиц. Следить за энергией, которая не пропадает и не появляется, проще, чем следить за массой частиц, которая может изменяться в определённых процессах, к примеру, при распаде. Единица ГэВ примерно равна массе-энергии легчайшего атома, водорода.
• Я обозначил три класса частиц: заряженные лептоны (синие диски), нейтрино (чёрные диски) и кварки (красные диски). Кварки обычно делят на два класса, верхние и нижние, отличающиеся только электрическим зарядом. Важность такой классификации станет ясной позже.
• В прямоугольниках я указал три взаимодействия вместе с их частицами-переносчиками. Четвёртое взаимодействие, гравитацию, я исключил, чтобы не засорять картинку.
• Поле Хиггса (или нечто, играющее его роль) в природе в среднем ненулевое. Я его обозначил через зелёный фон.
Рис. 1
Что же это за частицы? У всех них есть античастицы, но для краткости я их опускаю. Давайте по-быстрому пробежимся по структуре материи, разбирая её до тех пор, пока не доберёмся до нужного уровня.
• Атомы, радиус которых примерно в миллиард раз меньше вашей головы, состоят их электронов и атомных ядер.
• Атомы поглощают и испускают частицы света, фотоны. Происходит это благодаря электромагнитному взаимодействию, переносимому фотоном (то есть, когда работает электромагнетизм, фотоны всегда присутствуют).
• Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, в 100 000 меньших, чем сам атом, и состоящих по большей части из верхних и нижних кварков (и антикварков) и глюонов.
• Протоны и нейтроны не разваливаются, а также удерживаются внутри ядра, благодаря сильному взаимодействию, переносимому 8-ю типами глюонов.
• Солнце светит, а некоторые атомные ядра распадаются из-за процессов преобразования кварков одного типа в кварки другого типа. При этом испускаются электроны и нейтрино, эти частицы исходят прямо из центра Солнца.
• Это преобразование кварков и испускание нейтрино происходит из-за слабого взаимодействия, переносимого частицами W+, W– и Z0.
• Последнее известное нам взаимодействие – гравитация, которое, как предполагается, переносит гравитон. Из-за удивительной слабости гравитации эту частицу очень трудно обнаружить.
Практически все аспекты нашего мира определяются этими частицами. Но существуют и другие. Электрон, нейтрино-1, верхний кварк и нижний кварк называют одним «поколением» частиц – в данном случае под поколением имеется в виду примерно то же, что у фамильного дерева. Существуют два более тяжёлых поколения, в каждом из которых есть утяжелённые копии этих четырёх частиц.
• Второе поколение состоит из мюона, нейтрино-2, очарованного кварка и странного кварка.
• Третье поколение состоит из тау, нейтрино-3, t-кварка и d-кварка.
Структура поколений делит эти частицы на горизонтальные слои. Их также можно разделить вертикально, на упомянутые мною классы: люди часто говорит о «частицах электронного типа» или «заряженных лептонах», имея в виду электрон, мюон и тау, говорят о «нейтрино» в общем, и делят кварки на «верхние» (верхний, очарованный, t) и «нижние» (нижний, странный, d).
Возможно, вам интересно, почему у нейтрино такие скучные имена по сравнению с другими частицами. Мы их звали по-другому, но за последние 20 лет узнали о них много нового, и всё ещё продолжаем узнавать. Может, когда уляжется пыль, мы дадим им новые имена.
Про частицу Хиггса мы мало что знаем, но в ближайшее время узнаем больше.
Давайте приглядимся к различным массам. У них не только огромный разброс, но и нет какой-то явной системы. Вот некоторые замечания по поводу масс, начиная с самых лёгких частиц:
• Фотон и гравитон, вероятно, не имеют массы – их масса должна быть удивительно малой, чтобы существовали наблюдаемые межгалактические магнитные поля и огромные структуры Вселенной.
• Глюоны не имеют массы, насколько это вообще имеет смысл – они проводят свою жизнь в плену внутри таких адронов, как протоны, и измерить их массу напрямую непросто.
• Теоретики давно спорили по поводу наличия массы у нейтрино. Эксперименты последнего десятилетия разрешили этот спор (хотя из-за того, что полученные свидетельства непрямые, ещё есть пространство для манёвра). Массы нейтрино очень малы, самый тяжёлый из них по крайней мере в миллиард раз легче легчайшего атома (водорода), а масса самого лёгкого ещё меньше.
• Массы остальных частиц известны. Электрон примерно в 1800 раз легче водорода, t-кварк примерно в 400 000 раз тяжелее электрона, и всего на несколько процентов легче атома золота. Масса частиц W и Z примерно вполовину меньше массы t-кварка.
• Все обладающие значительной массой частицы имеют её из-за взаимодействия с полем Хиггса. Нейтрино могут получать массу не напрямую, но поле Хиггса играют важную роль и для них тоже. Этот факт я отметил через зелёные рамки различной толщины у дисков, обозначающих частицы.
• Масса-энергия частицы Хиггса — 125 ГэВ
На рис. 2 я сгруппировал частицы и взаимодействия по-другому.
Рис. 2
На рисунке показано, какие частицы напрямую влияют на какие. Я провёл линии между всеми типами частиц, напрямую взаимодействующими друг с другом. Что интересно отметить:
• Ничего из того, что часто называют частицами материи – заряженные лептоны, нейтрино или кварки – не взаимодействует друг с другом.
• Частицы материи взаимодействуют напрямую только с частицами, переносящими взаимодействия!
Это объясняет, почему переносчики взаимодействия называются именно так. Когда электрон в атоме взаимодействует с верхним кварком в атомном ядре, он делает это не напрямую. Электрон напрямую взаимодействует с фотоном, кварк взаимодействует с фотоном, и в результате (он довольно сложный и неинтуитивный) получается, что электрон притягивается к кварку, и наоборот. Точно так же взаимодействие между двумя кварками получается непрямым, и происходит из прямого взаимодействия кварков с глюонами. Все известные взаимодействия между частицами материи происходят не напрямую, в них участвуют переносчики взаимодействий. Когда вы открываете дверь, работают фотоны.
На рисунке также отмечено несколько важных свойств взаимодействий и классов частиц:
• Все частицы определённого класса подчиняются одному взаимодействию – именно это и определяет их принадлежность к классу. Нейтрино чувствуют только слабое взаимодействие. Сильное взаимодействие чувствуют только кварки и глюоны.
• Изогнутыми линиями показано, что некоторые из переносчиков взаимодействий напрямую взаимодействуют сами с собой или с другими переносчиками. Глюоны взаимодействуют сами с собой, но фотон сам с собой не взаимодействует (по крайней мере, не напрямую).
• В некотором смысле частица Хиггса также является переносчиком взаимодействия. Но это особый случай. Чем сильнее эффект, оказываемый взаимодействием Хиггса на частицу, тем больше масса этой частицы в ненулевом поле Хиггса. (Это утверждение верно для известных частиц, но может оказаться неверным для ещё не открытых). Я обозначил это градиентом зелёного поля, которое сверху становится темнее, что означает усиление эффекта для тяжёлых частиц. Точно так же частица Хиггса сильнее взаимодействует с тяжёлыми частицами, чем с лёгкими.
Этот мир выглядит ужасно странно, но хотите вы, или нет – он наш. Можно увидеть некоторые грубо обозначенные схемы, но всё-таки чёткой организации нет. Дезорганизация тем или иным образом оказывается связанной с полем (или полями) Хиггса.
Автор: SLY_G
