Меню
Бесплатно
Регистрация
Главная  /  Простуда  /  И стандартные модели различной мощности. Основные положения Стандартной модели элементарных частиц. Теория тяготения Ньютона

И стандартные модели различной мощности. Основные положения Стандартной модели элементарных частиц. Теория тяготения Ньютона

«Мы задаёмся вопросом, почему группа талантливых и преданных своему делу людей готова посвятит жизнь погоне за такими малюсенькими объектами, которые даже невозможно увидеть? На самом деле, в занятиях физиков элементарных частиц проявляется человеческое любопытство и желание узнать, как устроен мир, в котором мы живём» Шон Кэрролл
Если вы всё ещё боитесь фразы квантовая механика и до сих пор не знаете, что такое стандартная модель - добро пожаловать под кат. В своей публикации я попытаюсь максимально просто и наглядно объяснить азы квантового мира, а так же физики элементарных частиц. Мы попробуем разобраться, в чём основные отличия фермионов и бозонов, почему кварки имеют такие странные названия, и наконец, почему все так хотели найти Бозон Хиггса.

Из чего мы состоим?

Ну что же, наше путешествие в микромир мы начнём с незатейливого вопроса: из чего состоят окружающие нас предметы? Наш мир, как дом, состоит из множества небольших кирпичиков, которые особым образом соединяясь, создают что-то новое, не только по внешнему виду, но ещё и по своим свойствам. На деле, если сильно к ним приглядеться, то можно обнаружить, что различных видов блоков не так уж и много, просто каждый раз они соединяются друг с другом по-разному, образуя новые формы и явления. Каждый блок - это неделимая элементарная частица, о которой и пойдёт речь в моём рассказе.

Для примера, возьмём какое-нибудь вещество, пусть у нас это будет второй элемент периодической системы Менделеева, инертный газ, гелий . Как и остальные вещества во Вселенной, гелий состоит из молекул, которые в свою очередь образованы связями между атомами. Но в данном случае, для нас, гелий немного особенный, потому что он состоит всего из одного атома.

Из чего состоит атом?

Атом гелия, в свою очередь, состоит из двух нейтронов и двух протонов, составляющих атомное ядро, вокруг которого вращаются два электрона. Самое интересное, что абсолютно неделимым здесь является лишь электрон .

Интересный момент квантового мира

Чем меньше масса элементарной частицы, тем больше места она занимает. Именно по этой причине электроны, которые в 2000 раз легче протона, занимают гораздо больше места по сравнению с ядром атома.

Нейтроны и протоны относятся к группе так называемых адронов (частиц, подверженных сильному взаимодействию), а если быть ещё точнее, барионов .

Адроны можно разделить на группы

  • Барионов, которые состоят из трёх кварков
  • Мезонов, которые состоят из пары: частица-античастица

Нейтрон, как ясно из его названия, является нейтрально заряженным, и может быть поделён на два нижних кварка и один верхний кварк. Протон, положительно заряженная частица, делится на один нижний кварк и два верхних кварка.

Да, да, я не шучу, они действительно называются верхний и нижний. Казалось бы, если мы открыли верхний и нижний кварк, да ещё электрон, то сможем с их помощью описать всю Вселенную. Но это утверждение было бы очень далеко от истины.

Главная проблема - частицы должны как-то между собой взаимодействовать. Если бы мир состоял лишь из этой троицы (нейтрон, протон и электрон), то частицы бы просто летали по бескрайним просторам космоса и никогда бы не собирались в более крупные образования, вроде адронов.

Фермионы и Бозоны

Достаточно давно учёными была придумана удобная и лаконичная форма представления элементарных частиц, названная стандартной моделью. Оказывается, все элементарные частицы делятся на фермионы , из которых и состоит вся материя, и бозоны , которые переносят различные виды взаимодействий между фермионами.

Разница между этими группами очень наглядна. Дело в том, что фермионам для выживания по законам квантового мира необходимо некоторое пространство, в то время как их коллеги - бозоны могут спокойно триллионами жить прямо друг на друге.

Фермионы

Группа фермионов, как было уже сказано, создаёт видимую материю вокруг нас. Что бы мы и где не увидели, создано фермионами. Фермионы делятся на кварки , сильно взаимодействующие между собой и запертые внутри более сложных частиц вроде адронов, и лептоны , которые свободно существуют в пространстве независимо от своих собратьев.

Кварки делятся на две группы.

  • Верхнего типа. К кваркам верхнего типа, с зарядом +23, относят: верхний, очарованный и истинный кварки
  • Нижнего типа. К кваркам нижнего типа, с зарядом -13, относят: нижний, странный и прелестный кварки

Истинный и прелестный являются самыми большими кварками, а верхний и нижний - самыми маленькими. Почему кваркам дали такие необычные названия, а говоря более правильно, «ароматы», до сих пор для учёных предмет споров.

Лептоны также делятся на две группы.

  • Первая группа, с зарядом «-1», к ней относят: электрон, мюон (более тяжёлую частицу) и тау-частицу (самую массивную)
  • Вторая группа, с нейтральным зарядом, содержит: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино

Нейтрино - есть малая частица вещества, засечь которую практически невозможно. Её заряд всегда равен 0.

Возникает вопрос, не найдут ли физики ещё несколько поколений частиц, которые будут еще более массивными, по сравнению с предыдущими. На него ответить трудно, однако теоретики считают, что поколения лептонов и кварков исчерпываются тремя.

Не находите никакого сходства? И кварки, и лептоны делятся на две группы, которые отличаются друг от друга зарядом на единицу? Но об этом позже...

Бозоны

Без них бы фермионы сплошным потоком летали по вселенной. Но обмениваясь бозонами, фермионы сообщают друг другу какой-либо вид взаимодействия. Сами бозоны же с друг другом не взаимодействуют.

Взаимодействие, передаваемое бозонами, бывает:

  • Электромагнитным , частицы - фотоны. С помощью этих безмассовых частиц передаётся свет.
  • Сильным ядерным , частицы - глюоны. С их помощью кварки из ядра атома не распадаются на отдельные частицы.
  • Слабым ядерным , частицы - W и Z бозоны. С их помощью фермионы перекидываются массой, энергией, и могут превращаться друг в друга.
  • Гравитационным , частицы - гравитоны . Чрезвычайно слабая в масштабах микромира сила. Становится видимой только на сверхмассивных телах.

Оговорка о гравитационном взаимодействии.
Существование гравитонов экспериментально ещё не подтверждено. Они существуют лишь в виде теоретической версии. В стандартной модели в большинстве случаев их не рассматривают.

Вот и всё, стандартная модель собрана.


Проблемы только начались

Несмотря на очень красивое представление частиц на схеме, осталось два вопроса. Откуда частицы берут свою массу и что такое Бозон Хиггса , который выделяется из остальных бозонов.

Для того, что бы понимать идею применения бозона Хиггса, нам необходимо обратиться к квантовой теории поля. Говоря простым языком, можно утверждать, что весь мир, вся Вселенная, состоит не из мельчайших частиц, а из множества различных полей: глюонного, кваркового, электронного, электромагнитного и.т.д. Во всех этих полях постоянно возникают незначительные колебания. Но наиболее сильные из них мы воспринимаем как элементарные частицы. Да и этот тезис весьма спорный. С точки зрения корпускулярно-волнового дуализма, один и тот же объект микромира в различных ситуациях ведёт себя то как волна, то как элементарная частица, это зависит лишь от того, как физику, наблюдающему за процессом, удобнее смоделировать ситуацию.

Поле Хиггса

Оказывается, существует так называемое поле Хиггса, среднее значение которого не хочет стремиться к нулю. В результате чего, это поле старается принять некоторое постоянное ненулевое значение во всей Вселенной. Поле составляет вездесущий и постоянный фон, в результате сильных колебаний которого и появляется Бозон Хиггса.
И именно благодаря полю Хиггса, частицы наделяются массой.
Масса элементарной частицы, зависит от того, насколько сильно она взаимодействует с полем Хиггса , постоянно пролетая внутри него.
И именно из-за Бозона Хиггса, а точнее из-за его поля, стандартная модель имеет так много похожих групп частиц. Поле Хиггса вынудило сделать множество добавочных частиц, таких, например, как нейтрино.

Итоги

То, что было рассказано мною, это самые поверхностные понятие о природе стандартной модели и о том, зачем нам нужен Бозон Хиггса. Некоторые учёные до сих пор в глубине души надеются, что частица, найденная в 2012 году и похожая на Бозон Хиггса в БАКе, была просто статистической погрешностью. Ведь поле Хиггса нарушает многие красивые симметрии природы, делая расчёты физиков более запутанными.
Некоторые даже считают, что стандартная модель доживает свои последние годы из-за своего несовершенства. Но экспериментально это не доказано, и стандартная модель элементарных частиц остаётся действующим образцом гения человеческой мысли.

Бессмысленно продолжать делать то же самое и ждать других результатов.

Альберт Эйнштейн

Стандартная модель (элементарных частиц) (англ. Standard model of elementary particles ) - не соответствующая природе теоретическая конструкция, описывающая одну из компонент электромагнитных взаимодействий искусственно выделенную в электромагнитное взаимодействие, воображаемое слабое и гипотетическое сильное взаимодействия всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя гравитацию.

Сначала небольшое отступление. Полевая теория элементарных частиц, действуя в рамках НАУКИ, опирается на проверенный ФИЗИКОЙ фундамент:

  • Классическую электродинамику,
  • Квантовую механику,
  • Законы сохранения - фундаментальные законы физики.
В этом принципиальное отличие научного подхода, использованного полевой теорией элементарных частиц - подлинная теория должна строго действовать в рамках законов природы: в этом и заключается НАУКА.

Использовать не существующие в природе элементарные частицы, выдумывать не существующие в природе фундаментальные взаимодействия, или подменять существующие в природе взаимодействия сказочными, игнорировать законы природы, занимаясь математическими манипуляциями над ними (создавая видимость науки) - это удел СКАЗОК, выдаваемых за науку . В итоге физика скатывалась в мир математических сказок. Сказочные кварки со сказочными глюонами, сказочными гравитонами и сказками "Квантовой теории" (выдаваемые за действительность) уже проникли в учебники физики - будем обманывать детей? Сторонники честной Новой физики пытались этому противостоять, но силы были не равны. И так было до 2010 года до появления полевой теории элементарных частиц, когда борьба за возрождение ФИЗИКИ-НАУКИ перешла на уровень открытого противостояния подлинной научной теории с математическими сказками, захватившими власть в физике микромира (да и не только).


Картинка взята из мировой Википедии

Первоначально, кварковая модель адронов была предложена в 1964 году независимо Гелл-манном и Цвейгом и ограничивалась только тремя гипотетическими кварками и их античастицами. Это позволяло правильно описать спектр известных на тот момент элементарных частиц, без учета лептонов, которые не вписались в предлагаемую модель и потому признавались элементарными, наравне с кварками. Платой за это явилось введение, не существующих в природе, дробных электрических зарядов. Затем, по мере развития физики и поступления новых экспериментальных данных, кварковая модель постепенно разрасталась, трансформировалась, приспосабливаясь под новые экспериментальные данные, в итоге превратившись в Стандартную модель. - Интересно, что четырьмя годами позднее, в 1968 году я начал работать над идеей, которая в 2010 году дала человечеству Полевую теорию элементарных частиц , а в 2015 году - Теорию гравитации элементарных частиц , отправив в архив истории развития физики многие математические сказки физики второй половины двадцатого века, в том числе и эту.


    2 Стандартная модель и фундаментальные взаимодействия
    3 Стандартная модель и калибровочные бозоны
    4 Стандартная модель и глюоны
    5 Стандартная модель и закон сохранения энергии
    6 Стандартная модель и электромагнетизм
    7 Стандартная модель и полевая теория элементарных частиц
    8 Частицы в физике глазами мировой Википедии начала 2017 года
    9 Стандартная модель и подгонка под действительность
    10 Новая физика: Стандартная модель - итог

1 Основные положения Стандартной модели элементарных частиц

Предполагается, что всё вещество состоит из 12 фундаментальных частиц-фермионов: 6 лептонов (электрон, мюон, тау-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино) и 6 кварков (u, d, s, c, b, t).

Утверждается, что кварки участвуют в сильном, слабом и электромагнитном (с понимании квантовой теории) взаимодействиях; заряжённые лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) - в слабом и электромагнитном; нейтрино - только в слабом взаимодействии.

Постулируется, что все три типа взаимодействий возникают как следствие того, что наш мир симметричен относительно трёх типов калибровочных преобразований.

Утверждается, что частицами-переносчиками взаимодействий, вводимых моделью, являются:

  • 8 глюонов для гипотетического сильного взаимодействия (группа симметрии SU(3));
  • 3 тяжёлых калибровочных бозона (W ± -бозоны, Z 0 -бозон) для гипотетического слабого взаимодействия (группа симметрии SU(2));
  • 1 фотон для электромагнитного взаимодействия (группа симметрии U(1)).
Утверждается, что гипотетическое слабое взаимодействие может смешивать фермионы из разных поколений, что это приводит к нестабильности всех частиц, за исключением легчайших, а также к таким эффектам, как нарушение CP-инвариантности и гипотетические нейтринные осцилляции.

2 Стандартная модель и фундаментальные взаимодействия

Реально в природе существуют следующие типы фундаментальных взаимодействий, как и соответствующие им физические поля:

Наличие в природе иных реально существующих фундаментальных физических полей, кроме конечно сказочных полей (полей квантовой "теории": глюонное, поле Хиггса и ан.), физика не установила (зато в математике их может быть сколько угодно). Существование в природе гипотетического сильного и гипотетического слабого взаимодействия постулированного квантовой теорией - не доказано , и обосновано только желаниями Стандартной модели. Эти гипотетические взаимодействия являются всего лишь предположениями. - В природе имеются ядерные силы, которые сводятся к (реально существующим в природе) электромагнитным взаимодействиям нуклонов в атомных ядрах, ну а нестабильность элементарных частиц определяется наличием каналов распада и отсутствием запрета со стороны законов природы, а со сказочным слабым взаимодействием никак не связана.

Не доказано существование в природе ключевых элементов Стандартной модели: кварков и глюонов . То, что в экспериментах интерпретируется некоторыми физиками как следы кварков - допускает и иные альтернативные толкования. Природа так устроена, что число гипотетических кварков совпало с числом стоячих волн переменного электромагнитного поля внутри элементарных частиц. - Но в природе нет дробного электрического заряда, равного заряду гипотетических кварков. Даже величина дипольного электрического заряда, не совпадает с величиной воображаемого электрического заряда вымышленных кварков. А как понимаете, без кварков Стандартная модель существовать не может .

Из того, что в 1968 году в экспериментах по глубоко неупругому рассеянию на Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC) подтвердили, что протоны имеют внутреннюю структуру, и состоят из трех объектов (двух u- и одного d-кварка - а вот это НЕ доказано ), которые впоследствии, Ричард Фейнман назвал партонами в рамках его партонной модели (1969 г.), можно сделать еще один вывод - в экспериментах наблюдались стоячие волны волнового переменного электромагнитного поля, число пучностей которых как раз и совпадает с числом сказочных кварков (партонов). А хвастливое заявление мировой Википедии, что «вся совокупность нынешних экспериментальных фактов не подвергает сомнению справедливость модели» является лживым .

3 Стандартная модель и калибровочные бозоны

  • Существование калибровочных бозонов в природе не доказано - это всего лишь предположения квантовой теории. (W ± -бозоны, Z 0 -бозон) являются обыкновенными векторными мезонами такими же, как D-мезоны.
  • Квантовой теории потребовались переносчики постулированных ей взаимодействий. Но поскольку таковых в природе не оказалось - были взяты наиболее подходящие из бозонов и приписана способность быть переносчиками требуемого гипотетического взаимодействия.

4 Стандартная модель и глюоны

Дело в том, что с гипотетическими глюонами у Стандартной модели получился конфуз.

Вспомним, что такое глюон - это гипотетические элементарные частицы, отвечающие за взаимодействия гипотетических кварков. Говоря математическим языком, глюонами называют векторные калибровочные бозоны, отвечающие за гипотетическое сильное цветовое взаимодействие между гипотетическими кварками в квантовой хромодинамике. При этом гипотетические глюоны, как предполагается, сами несут цветовой заряд и таким образом являются не просто переносчиками гипотетического сильных взаимодействий, но и сами участвуют в них. Гипотетический глюон является квантом векторного поля в квантовой хромодинамике, не имеет массы покоя и обладает единичным спином (как фотон). Кроме того гипотетический глюон является античастицей самому себе.

Итак, утверждается, что глюон обладает единичным спином (как фотон) и является античастицей самому себе. - Так вот: согласно Квантовой механики и Классической электродинамики (и Полевой теории элементарных частиц, умудрившейся заставить их работать сообща на общий результат), определивших спектр элементарных частиц в природе - обладать единичным спином (как фотон) и быть античастицей самой себе может только одна элементарная частица в природе - фотон , но она уже занята электромагнитными взаимодействиями. Все остальные элементарные частицы с единичным спином это векторные мезоны и их возбужденные состояния, но это совсем другие элементарные частицы, каждая из которых обладает собственной античастицей.

А если вспомнить, что у всех векторных мезонов отличная от нуля величина массы покоя (следствие ненулевой величины квантового числа L полевой теории), то ни один из векторных мезонов (частиц с целым спином) в качестве сказочного глюона никак не подойдет. Ну а элементарных частиц с единичным спином больше в природе НЕТ. В природе могут существовать сложные системы, состоящие из четного числа лептонов, или барионов! Но время жизни таких образований из элементарных частиц будет значительно меньше времени жизни сказочного бозона Хиггса - а точнее векторного мезона. Поэтому гипотетические глюоны не могут быть найдены в природе, сколько бы их не искали и сколько миллиардов Евро или долларов на поиски сказочных частиц не потратили. А если где-то прозвучит утверждение об их обнаружении - это будет НЕ соответствовать действительности.

Следовательно, в природе нет места для глюонов . Создав сказку о сильном взаимодействии, взамен реально существующих в природе ядерных сил, по аналогии с электромагнитным взаимодействием, "Квантовая теория" и "Стандартная модель", будучи уверенными в своей непогрешимости, сами загнали себя в ТУПИК. - Так может, пора остановиться, и перестать верить математическим СКАЗКАМ.

5 Стандартная модель и закон сохранения энергии

Осуществление взаимодействий элементарных частиц путем обмена виртуальными частицами напрямую нарушает закон сохранения энергии и всякие математические манипуляции над законами природы в науке недопустимы. Природа и виртуальный мир математики - это два разных мира: реально существующий и вымышленный - мир математических сказок.

Глюоны - гипотетические переносчики гипотетического сильного взаимодействия гипотетических кварков, обладающие сказочной способностью создавать новые глюоны из ничего (из вакуума) (см. статью конфайнмент), открыто игнорируют закон сохранения энергии.

Таким образом, стандартная модель противоречит закону сохранения энергии .

6 Стандартная модель и электромагнетизм.

Стандартная модель, сама того не желая, вынуждена была признать наличие у элементарных частиц постоянных дипольных электрических полей, о существовании которых утверждает Полевая теория элементарных частиц. Утверждая, что элементарные частицы состоят из гипотетических кварков, являющихся (по мнению Стандартной модели) носителями электрического заряда, Стандартная модель тем самым признала наличие внутри протона кроме области с положительным электрическим зарядом еще и области с отрицательным электрическим зарядим, и наличие пары областей с разноименными электрическими зарядами и у электрически «нейтрального» нейтрона. Что удивительно, величины электрических зарядов данных областей почти совпали с величинами электрических зарядов, вытекающих из полевой теории элементарных частиц.

Так Стандартной модели удалось неплохо описать внутренние электрические заряды нейтральных и положительно заряженных барионов, а вот с отрицательно заряженными барионами вышла осечка. Поскольку заряд отрицательно заряженных гипотетических кварков равен –e/3, то для получения суммарного заряда –e потребуется три отрицательно заряженных кварка, а дипольное электрическое поле, аналогичное электрическому полю протона, не получится. Конечно, можно было бы воспользоваться анти-кварками, но тогда вместо бариона получится анти-барион. Так что «успех» Стандартной модели в описании электрических полей барионов ограничился только нейтральными и положительно заряженными барионами.

Если посмотреть гипотетическую кварковую структуру мезонов с нулевым спином, то электрические дипольные поля получаются только у нейтральных мезонов, а у заряженных мезонов из двух гипотетических кварков электрическое дипольное поле не создать – заряды НЕ позволяют. Так что при описании электрических полей мезонов с нулевым спином, у Стандартной модели получились только электрические поля нейтральных мезонов. Здесь также, величины электрических зарядов дипольных областей почти совпали с величинами электрических зарядов, вытекающих из полевой теории элементарных частиц.

Но есть еще одна группировка элементарных частиц под названием векторные мезоны – это мезоны с единичным спином, у которых каждая частица обязательно имеет свою античастицу. Экспериментаторы уже начали их открывать в природе, но Стандартная модель, чтобы не разбираться с их строением, предпочитает навесить на некоторые из них ярлыки переносчиков выдуманных ей взаимодействий (спин равен единице – то, что надо). Здесь у Стандартной модели получились только электрические поля нейтральных мезонов, поскольку число кварков не изменилось (у них просто повернули спины, чтобы они не вычитались, а складывались).
Подведем промежуточный итог. Успех Стандартной модели в описании структуры электрических полей элементарных частиц оказался половинчатым. Оно и понятно: подгонка в одном месте вылезала расхождением в другом месте.

Теперь относительно величин масс гипотетических кварков. Если сложить величины масс гипотетических кварков в мезонах или в барионах, мы получим небольшой процент от величины массы покоя элементарной частицы. Следовательно, даже в рамках Стандартной модели, внутри элементарных частиц имеется масса не кварковой природы, значительно превышающая суммарную величину масс всех ее гипотетических кварков. Поэтому, утверждение Стандартной модели, что элементарные частицы состоят из кварков, НЕ соответствует действительности . Внутри элементарных частиц имеются более мощные факторы, чем гипотетические кварки, создающие основную величину гравитационной и инертной массы элементарных частиц. Полевая теория элементарных частиц совместно с Теорией гравитации элементарных частиц установили, что за всем этим стоит волновое поляризованное переменное электромагнитное поле, создающие волновые свойства элементарных частиц, определяющее их статистическое поведение и, конечно же, Квантовая механика.

Еще один момент. Почему у связанной системы из двух частиц (кварков) с полуцелым спином, спины частиц обязательно должны быть антипараллельными (потребность в этом Стандартной модели, чтобы получился спин мезонов - это еще не закон природы). Спины взаимодействующих частиц могут быть и параллельными, а тогда получится дубликат мезона, но уже с единичным спином и несколько отличной по величине массой покоя, чего природа естественно создавать не стала - ей нет никакого дела до потребности Стандартной модели с ее сказками. Физика знает взаимодействие, со спин-ориентированной зависимостью - это взаимодействия магнитных полей, таких нелюбимых квантовой "теорией". Значит, если гипотетические кварки существуют в природе, то их взаимодействия магнитные (сказочных глюонов я естественно не вспоминаю) - эти взаимодействия создают силы притяжения, для частиц с антипараллельными магнитными моментами (а значит и антипараллельными спинами, если вектора магнитного момента и спина параллельны) и не позволяют создать связанное состояние пары частиц с параллельными магнитными моментами (параллельной ориентацией спинов), поскольку тогда силы притяжения превращаются в такие же силы отталкивания. Но если энергия связи пары магнитных моментов составляет некоторую величину (0,51 МэВ у π ± и 0,35 МэВ у π 0), то в самих магнитных полях частиц сосредоточено энергии (приблизительно) на порядок больше, а значит и соответствующей ей массы - электромагнитной массы постоянного магнитного поля.

Допустив наличие дипольных электрических полей у элементарных частиц, Стандартная модель забыла про магнитные поля элементарных частиц, существование которых доказано экспериментально, а величины магнитных моментов элементарных частиц измерены с высокой степенью точности.

Нестыковки Стандартной модели с магнетизмом хорошо видны на примере пи-мезонов. Итак, у гипотетических кварков имеются электрические заряды, значит у них имеется и постоянное электрическое поле, а еще у них имеется и постоянное магнитное поле. Согласно законам Классической электродинамики, которую пока еще НЕ отменили, эти поля обладают внутренней энергией, а значит и соответствующей этой энергии массой. Так суммарная магнитная масса постоянных магнитных полей пары гипотетических кварков заряженных π ± -мезонов составляет 5,1 МэВ (из 7,6 МэВ), а у π 0 -мезонов 3,5 МэВ (из 4 МэВ). Добавим к этой массе электрическую массу постоянных электрических полей элементарных частиц, она ведь тоже отлична от нуля. По мере уменьшения линейных размеров зарядов энергия этих полей постоянно возрастает, и очень быстро наступает момент, когда все 100% внутренней энергии гипотетического кварка сосредотачиваются в его постоянных электромагнитных полях. Тогда, что остается самому кварку - ответ: НИЧЕГО, что и утверждает Полевая теория элементарных частиц. И превращаются якобы наблюдаемые "следы гипотетических кварков" в следы стоячих волн переменного электромагнитного поля, чем они в действительности и являются. Но есть одна особенность: стоячие волны волнового переменного электромагнитного поля, то, что Стандартная модель выдает в качестве "Кварков", не могут создавать постоянные электрические и магнитные поля, которые есть у элементарных частиц). Вот мы и приходим к выводу, что кварков в природе НЕТ, а элементарные частицы состоят из волнового поляризованного переменного электромагнитного поля, а также связанных с ним постоянных электрических и магнитных дипольных полей , что и утверждает Полевая теория элементарных частиц.

С величинами массы, Стандартная модель установила наличие у всех пи-мезонов остаточной внутренней энергии, которая согласуется с данными Полевой теории элементарных частиц о содержавшемся внутри элементарных частиц волновом переменном электромагнитном поле. Но если более (95-97)% внутренней энергии элементарных частиц имеет не кварковую природу и сосредоточено в волновом переменном электромагнитном поле, а из остальных (3-5)%, приписываемых гипотетическим кваркам, (80-90)% сосредоточено в постоянных электрических и магнитных полях элементарных частиц, то голословное утверждение о том, что эти элементарные частицы состоят из не найденных в природе кварков - выглядит СМЕХОТВОРНЫМ, даже в рамках самой Стандартной модели .

Кварковый состав протона у Стандартной модели получился еще более плачевным. Суммарная величина массы 2-х u-кварков и одного d-кварка составляет 8,81 МэВ, что составляет менее 1 процента величины массы покоя протона (938,2720 МэВ). То есть, в протоне на 99 процентов есть то, что создает его основную гравитационную и инертную массу вместе с его ядерными силами и это НЕ связано с кварками, но нам, с упорством достойным лучшего применения, продолжают рассказывать псевдонаучную сказку о том, что протон якобы состоит из кварков, которых в природе так и не удалось найти, несмотря на все затраченные усилия и финансовые средства и хотят, чтобы мы поверили этому НАДУВАТЕЛЬСТВУ. - Математика способна сочинить любую СКАЗКУ и выдавать ее за "высшее" достижение "науки". Ну а если воспользоваться наукой, то согласно расчетам полей протона с помощью полевой теории, в его постоянном электрическом поле содержится энергия 3,25 МэВ, а остальная энергия для массы гипотетических кварков позаимствована у значительно более мощного постоянного магнитного поля протона, создающего его ядерные силы.

7 Стандартная модель и полевая теория элементарных частиц

  • Полевая теория элементарных частиц отрицает существование не обнаруженных в природе кварков и глюонов, отрицает существование гипотетических сильного и слабого взаимодействий (постулированных квантовой теорией) и соответствие унитарной симметрии действительности.
  • Тау-лептон является возбужденным состоянием мюона, а его нейтрино - возбужденным состоянием мюонного нейтрино.
  • (W ± -бозоны, Z 0 -бозон) являются обыкновенными векторными мезонами и не являются переносчиками взаимодействий связанных с игнорированием закона сохранения энергии равно как и других законов природы.
  • Фотон существует в природе только в реальном состоянии. Виртуальное состояние элементарных частиц - это математические манипуляции над законами природы.
  • Ядерные силы, в основном, сводятся к взаимодействиям магнитных полей нуклонов в ближней зоне.
  • В основе причин распада нестабильных элементарных частиц лежат наличие каналов распада и законы природы. Элементарная частица также как и атом или его ядро стремится в состояние с наименьшей энергией - только возможности у нее другие.
  • В основе так называемых "нейтринных осцилляций" , а точнее реакций, лежит разность их масс покоя, ведущая к распаду более тяжелого - мюонного нейтрино. Вообще, сказочное превращение одной элементарной частицы в другую противоречит законам электромагнетизма и закону сохранения энергии. - Разные виды нейтрино обладают разными наборами квантовых чисел, в следствии чего их электромагнитные поля различаются, они обладают различной величиной полной внутренней энергии, и соответственно, разной величиной массы покоя. К сожалению, математическое манипуляции над законами природы стали нормой поведения для сказочных теорий и моделей физики 20 века.
    •

8 Частицы в физике глазами мировой Википедии начала 2017 года

Вот так выглядят Частицы в физике с точки зрения мировой Википедии:

На эту картинку, выдаваемую за действительность, я наложил пару цветов, поскольку она нуждается в дополнениях. Зеленым цветом выделено то - что соответствует действительности. Оказалось немного, но это ВСЕ, что нашлось достоверного. Более светлым цветом выделено то, что также есть в природе, но нам пытаются вдуть в качестве другого. Ну а все бесцветные творения - это из мира СКАЗОК. А теперь сами дополнения:

  • То, что кварков в природе НЕТ - не желают знать сторонники самой Стандартной модели, подсовывая нам все новые СКАЗКИ в "обоснование" невидимости кварков в экспериментах.
  • Из основных состояний Лептонов, согласно Полевой теории элементарных частиц, в природе существуют только электрон с мюоном с соответствующими нейтрино и античастицами. Величина спина у тау-лептона, равная 1/2, еще не означает принадлежность этой частицы к основным состояниям лептонов - у них просто совпали спины. Ну а число возбужденных состояний у каждой элементарной частицы равно бесконечности - следствие Полевой теории элементарных частиц. Экспериментаторы уже начали их открывать и обнаружили множество возбужденных состояний других элементарных частиц, кроме тау-лептона, вот только они еще этого сами не поняли. Ну а то, что для некоторых, Полевая теория элементарных частиц как кость в горле - потерпят, а еще лучше если переучатся.
  • Калибровочных бозонов в природе НЕТ - в природе есть просто элементарные частицы с единичным спином: это фотон и векторные мезоны (которые любят выдавать за переносчиков сказочных взаимодействий, например, "слабое" взаимодействие) с их возбужденными состояниями, а также первое возбужденное состояние мезонов.
  • Сказочные бозоны Хиггса противоречат Теории гравитации элементарных частиц. Нам под видом бозона Хиггса пытаются вдуть векторный мезон.
  • Фундаментальные частицы в природе НЕ существуют - в природе существуют просто элементарные частицы.
  • Суперпартнеры также из мира СКАЗОК, как и другие гипотетические фундаментальные частицы. Сегодня нельзя слепо верить сказкам, независимо от фамилии автора. Выдумать можно любую частицу: "магнитный монополь" Дирака, планковскую частицу, партон, разные виды кварков, духи, "стерильные" частицы, гравитон (гравитино) ... - вот только доказательств НУЛЬ. - Не стоит обращать внимание на всякий псевдонаучный муляж, выдаваемый за достижение науки.
  • Составные частицы в природе есть, но это не барионы, гепероны и мезоны. - Это атомы, атомные ядра, ионы и молекулы барионного вещества, а также соединения электронных нейтрино, в гигантских количествах выбрасываемых звездами.
  • Согласно полевой теории элементарных частиц, в природе должны существовать группировки барионов с различными величинами полуцелого спина: 1/2, 3/2, 5/2, 7/2, ... .Пожелаю успеха экспериментаторам в обнаружении барионов с большими спинами.
  • Мезоны делятся на простые (с нулевым спином) с их возбужденными состояниями (исторически называемые резонансами), так и на векторные (с целым спином). Векторные мезоны физика уже начала открывать в природе, несмотря на отсутствие к ним заметного интереса у экспериментаторов.
  • Короткоживущие искусственно созданные экзотические атомы, в которых электрон подменили другой, более массивной элементарной частицей - это из мира "физики развлекаются". А в мегамире им нет места.
  • Экзотических адронов в природе нет, поскольку в природе НЕТ сильного взаимодействия (а есть просто ядерные силы, и это разные понятия), а следовательно, в природе нет и адронов, в ом числе и экзотических.
Выдумать можно любую частицу в качестве подпорки для псевдо-теории, а потом выдавать за триумф "науки", вот только природе нет до этого никакого дела.

Сегодня хорошо видно, что доверять информации про элементарные частицы, находящейся в мировой Википедии НЕЛЬЗЯ . К действительно достоверной экспериментальной информации там добавили голословные утверждения абстрактных теоретических построений, выдающих себя за высшие достижения науки, а в действительности обыкновенных математических СКАЗОК. Мировая Википедия погорела на слепом доверии к информации издательств, зарабатывающих на науке, принимающих к публикации статьи за деньги авторов - вот и публикуются те, у кого есть деньги, вместо тех, у кого есть идеи, развивающие НАУКУ. Вот что получается, когда в мировой Википедии отодвигают в сторону ученых, а содержимое статей контролируют НЕ специалисты. Сторонники математических сказок, борьбу с их догмами презрительно называют "альтернативщиной", забывая что в начале 20 века, сама физика микромира возникла как альтернатива, господствующим тогда заблуждениям. Изучая микромир, физика нашла много нового, но вместе с подлинными экспериментальными данными в физику хлынул и поток абстрактных теоретических построений, изучающих что-то свое и выдающих себя за высшее достижение науки. Возможно в созданном данными теоретическими построениями виртуальном мире и работают выдуманные ими "законы природы", но физика изучает саму природу и ее законы, а математики могут развлекаться, сколько хотят. Сегодня физика 21 века просто пытается очиститься от заблуждений и надувательства 20 века .

9 Стандартная модель и подгонка под действительность

Сторонники теории струн, сравнивая ее со Стандартной моделью и агитируя за теорию струн, заявляют, что у Стандартной модели есть 19 свободных параметров, для подгонки под экспериментальные данные.

Они кое-что упускают. Когда Стандартная модель еще называлась кварковой моделью, ей хватало всего 3-х кварков. Но по мере развития, Стандартной модели потребовалось увеличить число кварков до 6-ти (нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный, истинный), а каждый гипотетический кварк еще и наделить тремя цветами (r, g, b) – получаем 6*3=18 гипотетических частиц. К ним еще понадобилось добавить 8 глюонов, которых пришлось наделить уникальной способностью, под названием "конфайнмент". 18 сказочных кварков плюс 8 сказочных глюонов, для которых также не нашлось места в природе - это уже 26 вымышленных объектов, кроме 19 свободных параметров подгонки. – Модель разрасталась новыми вымышленными элементами, для подгонки под новые экспериментальные данные. Но введения цветов у сказочных кварков оказалось мало и некоторые уже заговорили о сложном строении кварков.

Трансформация модели кварков в Стандартную модель - это процесс подгонки под действительность, в целях избегания от неизбежного краха, ведущий к непомерному разрастанию Лагранжиана:



И как бы Стандартную модель не наращивали новыми "способностями" она от этого не станет научной - фундамент фальшивый .

10 Новая физика: Стандартная модель - итог

Стандартная модель (элементарных частиц) - это всего лишь гипотетическая конструкция, плохо соотносящаяся с действительностью:

  • Симметричность нашего мира относительно трёх типов калибровочных преобразований не доказана;
  • Кварки в природе не обнаружены ни при каких энергиях - кварков в природе НЕТ ;
  • Глюоны в природе вообще не могут существовать ;
  • Существование слабого взаимодействия в природе не доказано, и оно природе не нужно;
  • Сильное взаимодействие было выдумано взамен ядерных сил (действительно существующих в природе);
  • Виртуальные частицы противоречат закону сохранения энергии - фундаментальному закону природы;
  • Существование калибровочных бозонов в природе не доказано - в природе имеются просто бозоны.
Надеюсь, хорошо видно: на каком фундаменте построена Стандартная модель.

Не найдено, не доказано и т.п. это не значит пока не найдено и пока не доказано - это значит, нет никаких доказательств существования в природе ключевых элементов Стандартной модели. Таким образом, Стандартная модель базируется на фальшивом фундаменте, не соответствующем природе. Следовательно, Стандартная модель - является заблуждением в физике . Сторонники Стандартной модели хотят, чтобы люди продолжали верить сказкам Стандартной модели, иначе им придется переучиваться. Критику Стандартной модели они просто игнорируют, выдавая свое мнение - за решение науки. Но когда заблуждения в физике продолжают тиражироваться, несмотря на доказанную наукой их несостоятельность - заблуждения в физике превращаются в НАДУВАТЕЛЬСТВО в физике.

К заблуждениям в физике можно отнести и главного покровителя Стандартной модели - сборник математических бездоказательных предположений (попросту говоря - сборник математических СКАЗОК, или по Эйнштейну: "состряпанный из бессвязных обрывков мыслей набор бредовых идей ") под названием "Квантовая теория", не желающая считаться с фундаментальным законом природы - законом сохранения энергии. Пока квантовая теория будет продолжать выборочно учитывать законы природы и заниматься математическими манипуляциями, ее достижения трудно будет отнести к научным. Научная теория должна строго действовать в рамках законов природы, либо доказать неверность таковых. Иначе это будет за гранью науки.

В свое время Стандартная модель сыграла определенную положительную роль в накоплении экспериментальных данных о микромире - но это время завершилось. Ну а поскольку экспериментальные данные получались и продолжают получаются с помощью Стандартной модели - возникает вопрос об их достоверности. Кварковый состав открытых элементарных частиц не имеет ничего общего с действительностью. - Следовательно, экспериментальные данные, полученные с помощью Стандартной модели, нуждаются в дополнительной проверке, вне рамок модели.

В двадцатом веке на Стандартную модель возлагались большие надежды, она выдавалась за высшее достижение науки, но двадцатый век завершился, а вместе с ним и закончилось время господства в физике очередной математической сказки, построенной на фальшивом фундаменте, под названием: "Стандартная модель элементарных частиц". Сегодня ошибочность Стандартной модели НЕ замечает тот, кто НЕ желает это замечать.

Владимир Горунович

Стандартная модель фундаментальных взаимодействий

в физике элементарных частиц.

Фундаментальные взаимодействия.

По современным представлениям, все известные в настоящее время процессы сво­дят­ся к 4 типам взаимодействий, которые называются фундаментальными (таблица 1).

Таблица 1. Фундаментальные взаимодействия.

взаимодейст­вия (поле)

Константа

взаимодей­ст­вия

взаимодей­ст­вия

Характер­ные

Частицы - переносчики

(кванты полей)

Название

Гравитацион­ное

Гравитон (?)

10 -17 ... 10 -18 м

W + , W - - бозоны

Z 0 - бозон

Электромаг­нит­ное

10 -14 ... 10 -15 м

В квантовой физике каждая элементарная частица является квантом некоторого поля, и наоборот, каждому полю соответствует своя частица-квант. Энергия и импульс каждого поля слагаются из множества отдельных порций - квантов. Самый простой и лучше всего изученный пример: электромагнитное поле и его квант - фотон. Квантами поля сильных взаимодействий являются глюоны. Кванты поля слабых взаимодействий - ка­ли­б­ро­­во­ч­ны­е бозоны W ± иZ 0 . Все эти частицы обнаружены экспериментально, и их свой­ства хорошо изучены. Переносчиком гравитационного взаимодействия является грави­тон: гипо­те­тическая частица, которая экспериментально пока не обнаружена. Кванты-переносчики полей имеют целый спин, т.е. являются бозе-частицами (бозонами), что и отражено в названии некоторых из них.

Современные ускорители. Все современные ускорители - коллайдеры (т.е. исполь­зу­ют встречные пучки) .

Таблица 2. Крупнейшие ускорители.

Название ускорителя

Ускоряемые частицы

Максимальные энергии

Год начала работы

Длина ускорительной камеры

протон-антипротон

(линейный)

электрон-позитрон

электрон-позитрон

100 + 100 Гэв

Швейцария

электрон-протон

30 Гэв + 920 Гэв

Германия

электрон-позитрон

протон - протон

Швейцария

(линейный)

электрон-позитрон

500 + 500 Гэв

строится

Германия

протон - протон

строится

Из-за того, что кварки и глюоны взаимодействуют между собой сильнее, чем электроны и позитроны, а также из-за того, что энергии протон-протонных ускорителей больше, в столкновениях протонов с протонами происходит гораздо больше событий, чем в столкновениях электронов. В этом есть и плюсы, и минусы; минусы в том, что труднее выделить нужные реакции. Поэтому протон-протонные коллайдеры называют машинами открытий, а электрон-позитронные - машинами точных измерений .

Стандартная модель.

К настоящему времени раз­работано квантовое описание трех из четырех фун­да­мен­таль­ных вза­и­мо­дей­ст­вий: сильного, электромагнитного и слабого, а также пока­за­но, что сла­бое и электромаг­нит­ное взаимодействия фактически имеют общее происхождение (электро­сла­бое взаимодей­ст­вие). Совпадение с экспериментом наблюдается до расстояний 10 -18 м, что является преде­лом для современной экспериментальной техники. Поэтому теория трех не­гравитационных вза­имодействий, включающая 12 фундаментальных частиц, которые в них участвуют (таблица 2), называетсястан­дарт­ной моделью физики элементарных час­тиц.

Таблица 3. Фундаментальные частицы.

Масса, Мэв

Масса, Мэв

Масса, Мэв

Электрон

Электронное нейтрино

Мюонное нейтрино

Таонное нейтрино

Симметрия и инвариантность.

В том случае, когда состояние системы в результате какого-либо преобразования не ме­няется, говорят, что система обладает симметрией относительно данного преобразования. По­нятие симметрии является очень важным в физике элементарных частиц, т.к. каждому ви­ду симметрии соответствует свой закон сохранения и наоборот: каждому закону сохранения какой-либо физической величины соответствует своя симметрия . Общеизвестной яв­ля­ется связь симметрии времени и пространства относительно сдвигов (однородность) и по­во­ротов (изотропность) с законами сохранения энергии, импульса и момента импульса. Эти законы являются универсальными, т.е. выполняются во всех видах взаимодействий .

Кроме этих общеизвестных видов симметрии существуют так называемые "внут­рен­ние симметрии", которые в физике элементарных частиц называются "калибровочными сим­мет­риями (или инвариантностями)" . В квантовой физике существует калибровочная ин­вариантность к изменению фазы волновой функции, т.к. не существует способа оп­ре­де­лить абсолютную величину фазы этой функции. Другими словами, квантовая механика ин­ва­ри­антна относительно произвольного изменения фазы волновой функции на постоянную ве­ли­чину, т.е. замены ψ наψ· exp (i ) при условии = const . Это так называемая "глобальная ка­либ­ровочная сим­мет­рия" относительно изменения фазы волновой функции на одну и ту же ве­ли­чи­ну сразу во всем пространстве и во все моменты времени . Эта инвариант­ность оче­вид­на, т.к. множитель exp (i ) при подстановке измененной волновой функции в урав­не­ние Шре­дин­ге­ра

можно сократить.

Если фаза не равна константе, а является произвольной функцией ко­ор­динат и вре­мени, то такое преобразование называется локальным. При заменеψ наψ· exp (i (r , t )) урав­не­ние Шредингера, конечно, изменится, од­на­ко его можно сохранить неизменным, если ввести в него компенсиру­ю­щее поле: четырехмерный вектор (φ (r , t ), A (r , t )), который является со­во­куп­нос­тью скалярного и векторного потенциалов электромагнитного поля, квантами которо­го являются фотоны. В этом и заключается основная идея квантового описания электро­маг­нит­ного взаимодействия (КЭД).

Бозон Хиггса.

Подобная идея используется для построения теории всех взаимодействий, а соответ­ст­вую­щий вид симметрии называется "локальной калибровочной ин­ва­ри­антностью". Однако при этом возникает проблема. Обязательным требованием к уравнениям для любого фи­зи­чес­кого поля является инвариантность по отношению к преобразованиям Ло­рен­ца. А это вы­пол­няется только в том случае, если масса кванта поля рав­на нулю. Из таб­лицы 1 видно, что кван­ты электромагнитного, сильного и грави­та­ци­он­ного полей яв­ля­ют­ся безмассовыми (т.е. име­ют нулевую массу покоя), но кванты-перенос­чи­ки слабых вза­и­мо­дей­ствий имеют до­воль­но большие массы. Такая же проблема возникает и при объяснении значений масс у дру­гих элементарных частиц. Можно сказать, что внутренние сим­метрии запрещают эле­мен­тар­ным частицам иметь ненулевые массы покоя, что, конечно, про­тиворечит экс­пе­ри­мен­таль­ным данным. Этот вопрос - об объяснении различных зна­че­ний масс у элементарных частиц - оставался до последнего времени нерешенным в стан­дарт­ной модели.

Для объяснения этого противоречия в 1964 году Ф.Энглер (F.Englert) и Р.Браут (R.Bro­ut) и независимо от них П.Хиггс (P.Higgs) почти одновременно предположили, что су­щест­вует еще одно поле, взаимодействие с которым придает частицам массу. П.Хиггс, кроме это­го, предсказал существование у этого поля кванта - бозона со спином, равным нулю, поэ­то­му гипотетический квант этого поля получил название "бозон Хиггса". Масса этой час­ти­цы, согласно сделанным тогда оценкам, должна находиться в диапазоне от 60 до 1000 Гэв. Ус­корителей, на которых можно было бы обнаружить частицу с такой массой, до последнего вре­мени не существовало, поэтому бозон Хиггса оставался единственной еще не обнару­жен­ной экспериментально части­цей стандартной модели .

На семинаре в ЦЕРНЕ 4 июля 2012 года было объявлено об открытии новой частицы, свойства которой, как осторожно заявляют авторы открытия, соответствуют ожидаемым свойствам теоретически предсказанного бозона Хиггса - элементарного бозона Стандартной модели физики элементарных частиц. Эта новая частица (для нее принято обозначение H) не имеет электрического заряда. Масса бозона по данным одной группы экспериментов равна (125.3 ± 0.9) Гэв, по данным другой группы (126.0 ± 0.8) Гэв. БозонHнестабилен, его время жизни примерно 10 -24 с, и он может распадаться по-разному. НаLHCнаблюдались распады на два фотона, и на две пары: электрон-позитрон и (или) мюон-антимюон:

H →γ+γ,

H →e - + e + + e - + e + ,

H → e - + e + + μ - + μ + ,

H → μ - + μ + + μ - + μ + .

Последние три распада коротко можно записать так

H → 4l ,

где l - один из лептонов (электрон, позитрон, мюон). Все эти распады соответствуют пред­сказанным свойствам бозона Хиггса.

Все это позволяет с большой вероятностью утверждать, что бозон Хиггса открыт, и Стандартная модель получила принципиально важное экспериментальное подтверждение.

Литература.

    Физическая энциклопедия, т.5 /Гл. ред. А.М.Прохоров. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. - с. 596-608.

    Капитонов И.М. Введение в физику ядра и частиц. - М.: УРСС, 2002.

    Рубаков В.А. К открытию на Большом адронном коллайдере новой частицы со свойствами бозона Хиггса. - УФН, 2012, т.182, №10. - с.1017-1025.

    Рубаков В.А. Долгожданное открытие бозона Хиггса. - Наука и жизнь, 2012, №10. - с.2-17.

    Физическая энциклопедия, т.4 /Гл. ред. А.М.Прохоров. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. - с. 505-520.

    Физика микромира: Маленькая энциклопедия /Гл. ред. Д.В.Ширков. - М.: "Советская энциклопедия", 1980.

    Грин Б. Элегантная Вселенная. /Пер. с англ. под ред. В.О.Малышенко. - Изд. 2-е. - М.: Едиториал УРСС, 2005. - 288 с.

    Аринштейн Э.А. Элементы теоретической физики: Учебное пособие. - Тюмень, Изд-во Тюменского госуниверситета, 2011. - с.103-105.

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.

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 .