ВходСтандартная модель. Стандартная модель и калибровочные бозоны. Основные положения Стандартной модели элементарных частиц
Уравнение Дирака для электрона стало для физики поворотным пунктом во многих отношениях. В 1928 году, когда Дирак предложил свое уравнение, из всех элементарных частиц науке были известны лишь электроны, протоны и фотоны. Свободные уравнения Максвелла описывают фотоны, предсказанные Эйнштейном в 1905 году. Эта ранняя работа была постепенно развита Эйнштейном, Бозе и другими, и 1927 году Иордан и Паули создали полную математическую схему для описания свободных фотонов путем введения квантования в максвелловскую теорию свободного поля. Казалось также, что протон, как и электрон, достаточно хорошо описывается уравнением Дирака. В теорию Дирака отлично укладывалось электромагнитное взаимодействие, описывающее, как воздействуют фотоны на электроны и протоны, благодаря идее калибровки (введенной Вейлем в 1918 году). Начало формулировке полной теории электронов (или протонов), взаимодействующих с фотонами (т.е. квантовой электродинамике), было положено самим Дираком в 1927 году. Таким образом, казалось, что имеются под руками все более или менее основные средства для описания всех частиц, существующих в Природе, а также наиболее очевидных взаимодействий между ними.
Истоки современной физики элементарных частиц
И все же физики того времени в большинстве своем были не настолько глупы, чтобы предполагать, что все это вот-вот приведет их к «теории всего». Они сознавали, что ни силы, удерживающие ядро от распада (ныне это называется сильным взаимодействием), ни механизм, ответственный за радиоактивный распад (теперь это называется слабым взаимодействием), не могут быть объяснены без дальнейшего продвижения вперед. Если бы единственными составными частями атомов, включая атомные ядра, были дираковские протоны и электроны, взаимодействующие лишь через электромагнитное поле, тогда все обычные ядра (за исключением одиночного протона, составляющего ядро атома водорода) должны были мгновенно распадаться из-за электростатического отталкивания вследствие преобладания положительных зарядов. Должно было существовать нечто дотоле не известное, создающее сильное притяжение между частицами внутри ядра!
В 1932 году Чедвик открыл нейтрон, и это в итоге привело к замене ранее популярной протонно-электронной модели ядра новой моделью, согласно которой ядро содержит протоны и нейтроны, сильное взаимодействие между которыми удерживает ядро от распада. Но даже это сильное взаимодействие было еще не все, что ускользало от понимания в то время. Радиоактивность урана, известная со времени наблюдения Анри Беккереля в 1896 году, оказалась результатом еще одного - слабого - взаимодействия, отличного и от сильного, и от электромагнитного взаимодействия. Даже сам нейтрон, будучи предоставлен самому себе, распадается приблизительно за 15 минут.
Одним из загадочных продуктов радиоактивного распада оказалось неуловимое нейтрино, пробная гипотеза о существовании которого была выдвинута Паули в 1929 году, но которое не было непосредственно обнаружено вплоть до 1956 года. Именно изучение радиоактивности в конечном счете принесло физикам неожиданную популярность и влиятельность к концу Второй мировой войны и после нее...
Многое изменилось с той поры первоначального проникновения в физику элементарных частиц в первой трети XX века. Сейчас, в начале XXI века, мы имеем гораздо более полную картину, известную под названием стандартной модели физики элементарных частиц. Эта модель описывает почти все наблюдаемое поведение широкого класса известных ныне элементарных частиц. К фотону, электрону, протону, позитрону, нейтрону и нейтрино в дальнейшем присоединились разные другие сорта нейтрино, мюон, пионы (эффектно предсказанные Юкавой в 1934 году), каоны, ламбда- и сигма-частицы, а также омега-минус- частица, знаменитая благодаря истории ее предсказания. В 1955 году был экспериментально обнаружен антипротон, в 1956 году - антинейтрон. Существуют объекты нового типа - кварки, глюоны и W- и Z-бозоны, а также целая стая частиц, существование которых столь быстротечно, что они никогда не наблюдались непосредственно, их относят к «резонансам». Формализм современной теории требует также существования нестационарных объектов, называемых «виртуальными частицами», а также величин, именуемых «духами», относительно которых исключается возможность непосредственного наблюдения.
Существует также вызывающее замешательство изобилие гипотетических (и пока не обнаруженных) частиц, предсказываемых некоторыми теоретическими моделями, но пока не укладывающихся в общепринятую схему элементарных частиц, - «Х-бозоны», «аксионы», «фотино», «скварки», «глюино», «магнитные монополи», «дилатоны» и т. д. Есть еще призрачная частица Хиггса, не обнаруженная к моменту написания этой книги, существование которой в той или иной форме (возможно, не в качестве одиночной частицы) существенно для сегодняшней физики элементарных частиц, в которой связанное с этой частицей поле Хиггса определяет массу каждой элементарной частицы.
Уравнение Дирака
$$\left(i\hbar c \, \gamma^\mu \, \partial_\mu - mc^2 \right) \psi = 0$$ Из уравнения Дирака следует, что электрон обладает собственным механическим моментом количества движения - спином, равным ħ/2, а также собственным магнитным моментом, равным магнетону Бора $e\hbar/2Мc$, которые ранее (1925) были открыты экспериментально (e и m - заряд и масса электрона, с - скорость света, $\hbar$ - постоянная Дирака (редуцированная постоянная Планка)). С помощью уравнения Дирака была получена более точная формула для уровней энергии атома водорода (и водородоподобных атомов), включающая тонкую структуру уровней, а также объяснён эффект Зеемана. На основе уравнения Дирака были найдены формулы для вероятностей рассеяния фотонов свободными электронами (комптон-эффекта) и излучения электрона при его торможении (тормозного излучения), получившие экспериментальное подтверждение. Однако последовательное релятивистское описание движения электрона даётся квантовой электродинамикой.
Характерная особенность уравнения Дирака - наличие среди его решений таких, которые соответствуют состояниям с отрицательными значениями энергии для свободного движения частицы (что соответствует отрицательной массе частицы). Это представляло трудность для теории, так как все механические законы для частицы в таких состояниях были бы неверными, переходы же в эти состояния в квантовой теории возможны. Действительный физический смысл переходов на уровни с отрицательной энергией выяснился в дальнейшем, когда была доказана возможность взаимопревращения частиц. Из уравнения Дирака следовало, что должна существовать новая частица (античастица по отношению к электрону) с массой электрона и электрическим зарядом противоположного знака; такая частица была действительно открыта в 1932 К. Андерсоном и названа позитроном. Это явилось огромным успехом теории электрона Дирака. Переход электрона из состояния с отрицательной энергией в состояние с положительной энергией и обратный переход интерпретируются как процесс образования пары электрон-позитрон и аннигиляция такой пары.
Уравнение Дирака справедливо и для др. частиц со спином 1/2 (в единицах $\hbar$) - фермионов, например мюонов, нейтрино, при этом хорошее соответствие опыту получается при прямом применении уравнения Дирака к простым (а не составным) частицам, как те, которые только что упомянуты. Для протона и нейтрона (составных частиц, состоящих из кварков, связанных глюонным полем, но также обладающих спином 1/2) оно при прямом применении (как к простым частицам) приводит к неправильным значениям магнитных моментов: магнитный момент «дираковского» протона «должен быть» равен ядерному магнетону $e\hbar/2Мc$ (М - масса протона), а нейтрона (поскольку он не заряжен) - нулю. Опыт же даёт, что магнитный момент протона примерно в 2,8 раза больше ядерного магнетона, а магнитный момент нейтрона отрицателен и по абсолютной величине составляет около 2/3 от магнитного момента протона. Аномальные магнитные моменты этих частиц обусловлены их составной природой и сильными взаимодействиями.
В действительности данное уравнение применимо для кварков, которые также являются элементарными частицами со спином 1/2. Модифицированное уравнение Дирака можно использовать для описания протонов и нейтронов, которые не являются элементарными частицами (они состоят из кварков). Другую модификацию уравнения Дирака - уравнение Майорана, применяют в некоторых расширениях Стандартной модели для описания нейтрино.
Зигзаг-представление электрона
В этой и ряде последующих статей предлагается краткий путеводитель по стандартной модели современной физики элементарных частиц.
Начнем несколько нестандартным образом, переформулировав уравнение Дирака в «2-спинорном представлении. Спинор Паули, описывающий частицу со спином -, представляет
собой двухкомпонентную величину $\psi_a$- (Компонентами служат $\psi_0$- и $\psi_1$.) При учете требований теории относительности нам потребуются также величины со штрихованными индексами $A", B", C’$,..., которые появляются при комплексном сопряжении, применяемом к нештрихованным индексам. Оказывается, что описанный выше дираковский спинор $\psi$ с его четырьмя комплексными компонентами можно представить в виде пары 2-спиноров, $\alpha_a$ и $\beta_{a’}$, один из которых имеет нештрихованный индекс, а другой - штрихованный:
$$\psi=(\alpha_a,\beta_{a’}) $$
Тогда уравнение Дирака можно записать в виде уравнения, связывающего эти два 2-спинора, при этом каждый из них играет в отношении другого роль «источника» с «константой связи» $2^{-1/2}M$, определяющей «силу взаимодействия» между ними:
$$\nabla^{A}_{B’ }\alpha_a =2^{-1/2}M\beta_{B’}, ~~\nabla ^{B’}_{A }\beta_{B’} =2^{-1/2}M,\alpha _{A’}, $$
Операторы $\nabla^{A}_{B’ }$, и $\nabla^{B}_{A’ }$ представляют собой 2-спинорные трансляции обычного оператора градиента $\nabla$ . Не следует придавать большого значения всем этим индексам, множителям $2^{-1/2}$ и точной форме этих уравнений, - я привожу их здесь лишь для того, чтобы показать, как можно ввести уравнение Дирака в общие рамки 2-спинорного анализа и как это может помочь, коль скоро это сделано, в обретении некоторого нового взгляда на природу уравнения Дирака.
Форма этих уравнений показывает, что дираковский электрон можно считать состоящим из двух ингредиентов - $\alpha_A$ и $\beta_{A’}$. Им можно придать некоторый физический смысл.
Можно представить себе картину, в которой существуют две «частицы», одна из которых описывается величиной а $\alpha_A$ а другая - $\beta_{A’}$, причем обе они не имеют массы и каждая из них непрерывно превращается в другую. Дадим этим частицам имена «зиг» и «заг», так что $\alpha_A$ будет описывать частицу «зиг», а $\beta_{A’}$ - частицу «заг». Будучи безмассовыми, они должны перемещаться со скоростью света, однако вместо этого можно считать, что они «качаются» взад-вперед, причем движение вперед частицы «зиг» непрерывно превращается в движение назад частицы «заг» и наоборот. Фактически это есть реализация явления, называемого «zitterbewegung» («дрожание») и состоящего в том, что мгновенное движение электрона из-за участия в таких колебаниях всегда происходит со скоростью света, хотя полное усредненное движение электрона характеризуется скоростью, меньшей скорости света. Каждый из указанных ингредиентов имеет спин величиной $\frac{1}{2}\hbar$ в направлении движения, соответствующий левому вращению в случае частицы «зиг» и правому для частицы «заг». (Это связано с тем обстоятельством, что частица «зиг» $\alpha_A$ имеет нештрихованный индекс, соответствующий отрицательной спиральности, а частица «заг» $\beta_{A’}$ - штрихованный индекс, отвечающий положительной спиральности.
Заметим, что хотя скорость все время меняется, направление спина в системе покоя электрона остается постоянным (рис. 1). При такой интерпретации частица «зиг» выступает как источник для частицы «заг», а частица «заг» - как источник в отношении частицы «зиг», сила связи между ними определяется величиной $M$.
Рис. 1. Зигзаг-представление электрона, а) Электрон (или другую массивную частицу со спином $\frac{1}{2}\hbar$) можно рассматривать как осциллирующую в пространстве-времени между безмассовой частицей «зиг» с левой спиральностью (спиральность $-\frac{1}{2}$ описывается нештрихованным 2-спинором $\alpha_A$ или, в обозначениях, более привычных для физиков, частью, проектируемой оператором -$\frac{1}{2}(1-\gamma_5)$)) и безмассовой частицей «заг» с правой спиральностью (спиральность $+\frac{1}{2}$ описывается штрихованным 2-спинором $\beta_{A"}$ или частью, проектируемой оператором $\frac{1}{2}(1+\gamma_5)$. Каждая из частиц служит источником для другой с массой покоя в качестве константы связи, б) С точки зрения 3-пространства, в системе покоя электрона происходит непрерывное изменение скорости (всегда равной по величине скорости света), однако направление спина остается постоянным. (Для большей наглядности изображена картина не вполне в системе покоя электрона - вместо этого электрон медленно смещается вправо.)
На рис. 2 дано диаграммное представление вклада этого процесса в полный «фейнмановский пропагатор. Каждый отдельный зигзаг-процесс имеет конечную длину, однако вся их совокупность, включающая зигзаги все нарастающей длины, дает вклад в полный процесс распространения электрона в соответствии с матрицей $2\times2$, изображенной на рис. 2. При этом частица «зиг» становится частицей «заг», затем «заг» превращается в «зиг», та снова в «заг» и так далее на некотором конечном отрезке.
Рассматривая процесс в целом, мы обнаружим, что средняя частота, с которой это происходит, связана обратным соотношением с параметром связи - массой М; фактически это есть «де-бройлевская частота» электрона.
Необходимо, однако, сделать замечание относительно того, как следует интерпретировать фейнмановские диаграммы. Изображаемый процесс можно на законных основаниях рассматривать как пространственно-временное описание происходящего, однако при рассмотрении на квантовом уровне необходимо иметь в виду, что даже в случае одной частицы одновременно протекает множество таких процессов. Каждый из них следует рассматривать как один из вкладов в некоторую квантовую суперпозицию огромного числа различных процессов. Реальное квантовое состояние определяется всей суперпозицией в целом. Каждая отдельная фейнмановская диаграмма - это всего лишь одна из ее компонент.
Необходимо, однако, сделать замечание относительно того, как следует интерпретировать фейнмановские диаграммы. Изображаемый процесс можно на законных основаниях рассматривать как пространственно-временное описание происходящего, однако при рассмотрении на квантовом уровне необходимо иметь в виду, что даже в случае одной частицы одновременно протекает множество таких процессов. Каждый из них следует рассматривать как один из вкладов в некоторую квантовую суперпозицию огромного числа различных процессов. Реальное квантовое состояние определяется всей суперпозицией в целом. Каждая отдельная фейнмановская диаграмма - это всего лишь одна из ее компонент.
В таком же духе следует понимать и приведенное выше описание движения электрона как качания взад-вперед, при котором «зиг» непрерывно превращается в «заг» и наоборот. Реальное движение слагается из большого (фактически бесконечно большого) числа таких отдельных процессов, так что наблюдаемое движение электрона можно рассматривать как результат некоторого их «усреднения» (хотя, строго говоря, здесь имеет место квантовая суперпозиция). Так обстоит дело в случае всего лишь свободного электрона. В действительности электрон непрерывно взаимодействует с другими частицами (например, с фотонами - квантами электромагнитного поля). Все подобные процессы взаимодействия также должны быть включены в общую суперпозицию.
Имея все это в виду, зададимся вопросом: насколько «реальны» частицы «зиг» и «заг»? Или это всего лишь артефакты некоторого математического формализма, которым я вос пользовался здесь при описании уравнения Дирака для электрона? Возникает вопрос более общего характера: насколько оправданно с физической точки зрения руководствоваться соображениями изящества некоторого математического описания, а затем пытаться выдать это за описание «реальности»? В данном случае следует начать с постановки вопроса о важности (а также изяществе) самого 2-спинорного формализма как математического метода. Я должен предупредить читателя, что этот формализм не относится к числу широко используемых физиками, которые занимаются уравнением Дирака и его приложениями, в частности, квантовой электродинамикой (КЭД) - наиболее успешным разделом квантовой теории поля.
Рис.2. Каждый зигзаг-процесс в отдельности вносит вклад, как часть бесконечной квантовой суперпозиции, в полный «пропагатор» наподобие фейнмановских диаграмм. Изображенный слева стандартный фейнмановский пропагатор в виде прямой линии представляет целую матрицу из бесконечных сумм конечных зигзагов, показанную справа.
Читателя, который уже немного знаком с фейнмановскими диаграммами, может смутить используемое здесь вертикальное упорядочение во времени. В квантовой теории поля обычно рисуют диаграммы, на которых временная переменная увеличивается слева направо. Этот выбор, при котором время течет снизу вверх, согласуется с принятым в теории относительности, поскольку такое направление времени выбирается для большинства пространственно-временных диаграмм.
Большинство физиков пользуется формализмом «дираковских спиноров» (или 4-спиноров), в котором спинорные индексы отбрасываются. Вместо 2-спинора $\alpha_A$ они используют 4-спинор $(1-\gamma_5)\psi$ (называя его «левоспиральной частью дираковского электрона» или
как-нибудь в этом роде, вместо моей частицы «зиг») LINK8. Величина $\gamma_5$ представляет собой произведение
$$\gamma_5=-i\gamma_0\gamma_1\gamma_2\gamma_3$$
и обладает свойством антикоммутировать с каждым из элементов алгебры Клиффорда, при этом $\gamma_5^2=1$ Аналогично вместо $\beta_{A’}$ используется $(1+\gamma_5)\psi$ (правоспиральная часть).
Кто-то может заметить, что это всего лишь вопрос обозначений, и действительно можно переходить от 2-спинорного формализма к 4-спинорному и обратно. Зигзаг-представление определенно применимо (хотя и не всегда применяется) к любому формализму, однако к 2-спинорному формализму оно ближе, чем к 4-спинорному. Так реальны ли частицы «зиг» и «заг»? Можно сказатьчто они реальны в той же мере, в какой реален сам «дираковский электрон», - как в высшей степени полезное идеализированное математическое описание одного из наиболее фундаментальных элементов Вселенной. Но есть ли это реальная «реальность»?
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 .
Стандартная модель физики элементарных частиц, или просто Стандартная модель, - теоретические рамки в физике, которые наиболее точно и удачно описывают текущее положение элементарных частиц, их значения и поведение. Стандартная модель не является и не претендует на звание «теории всего», поскольку не объясняет темную материю, темную энергию и не включает гравитацию. Постоянные подтверждения Стандартной модели, на зло альтернативной модели суперсимметрии, появляются на Большом адронном коллайдере. Впрочем, не все физики любят Стандартную модель и желают ей скорейшей кончины, ведь это может потенциально привести к развитию более общей теории всего, объяснению черных дыр и темной материи, объединению гравитации, квантовой механики и общей теории относительности.
Если физики элементарных частиц добьются своего, новые ускорители смогут в один прекрасный день тщательно исследовать самую любопытную субатомную частицу в физике - бозон Хиггса. Спустя шесть лет после открытия этой частицы на Большом адронном коллайдере, физики планируют новые огромные машины, которые будут растягиваться на десятки километров в Европе, Японии или Китае.
Не так давно ученые заговорили о новой космологической модели, известной как «хиггсогенез» (Higgsogenesis). Документ с описанием новой модели был опубликован в журнале Physical Review Lettres. Термин «хиггсогенез» относится к первому появлению частиц Хиггса в ранней Вселенной, так же как бариогенез относится к появлению барионов (протонов и нейтронов) в первые моменты после Большого Взрыва. И хотя бариогенез - достаточно хорошо изученный процесс, хиггсогенез остается сугубо гипотетическим.
«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 мираЧем 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, а для бозонов почти не важно наличие свободного места.
Фермионы
Группа фермионов, как было уже сказано, создаёт видимую материю вокруг нас. Что бы мы и где ни 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 +2\3, относят: верхний, очарованный и истинный кварки
- Нижнего типа. К кваркам нижнего типа, с зарядом -1\3, относят: нижний, странный и прелестный кварки
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
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 практически не взаимодействуют.
На самом деле, некоторые бозоны всё же взаимодействуют друг с другом, но об этом будет рассказано более подробно в следующих статьях о проблемах микромира
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 понятия 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.