Элементарныечастицы
Всё, что ты видишь, трогаешь и чем являешься — каждый камень, каждое растение, каждая мысль — построено из крошечных строительных блоков. Эти блоки называют элементарными частицами. Они настолько малы, что в одном-единственном стакане воды их больше, чем песчинок на всей Земле. На этой странице ты узнаешь, какие частицы существуют, как они связаны между собой и почему они составляют фундамент современной физики.
Три семейства — один мир
Сегодня физике известны ровно 17 различных элементарных частиц — то есть частиц, которые, согласно нынешним знаниям, нельзя разложить на более простые составляющие. Их можно разделить на три большие группы: кварки образуют материю, лептоны — самостоятельные частицы материи, а бозоны переносят взаимодействия.
Таблица частиц
Подобно тому как в химии существует периодическая таблица элементов, в физике есть сводная таблица всех известных элементарных частиц — Стандартная модель. Это одна из самых точных и успешных теорий, когда-либо созданных наукой. Частицы упорядочены по трём поколениям: каждое следующее поколение тяжелее и живёт меньше, чем предыдущее.
| I поколение | II поколение | III поколение | Бозоны | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Кварки ↑ | u Up +⅔ 2,3 МэВ | c Charm +⅔ 1,27 ГэВ | t Top +⅔ 173 ГэВ | γ Фотон 0 0 | g Глюон 0 0 | |||
| Кварки ↓ | d Down −⅓ 4,8 МэВ | s Strange −⅓ 95 МэВ | b Bottom −⅓ 4,18 ГэВ | |||||
| Лептоны | e⁻ Электрон −1 0,511 МэВ | μ Мюон −1 105,7 МэВ | τ Тау −1 1,777 ГэВ | W W-бозон ±1 80,4 ГэВ | H Хиггс 0 125 ГэВ | |||
| Нейтрино | νₑ e-нейтрино 0 ≈ 0 | νμ μ-нейтрино 0 ≈ 0 | ντ τ-нейтрино 0 ≈ 0 | Z Z-бозон 0 91,2 ГэВ | ||||
Кварки — самое сердце материи
Кварки — это мельчайшие известные строительные блоки материи, но поодиночке они никогда не встречаются. Они существуют исключительно в связанных группах: два или три кварка вместе образуют так называемые адроны. Самые известные из них — протоны и нейтроны, из которых состоят все атомные ядра. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков.
Существует шесть различных типов кварков, которые физики называют «ароматами» (flavors): Up, Down, Charm, Strange, Top и Bottom. Эти названия — чистая условность, вкуса у кварков, разумеется, нет. Зато у них есть особое свойство под названием цветовой заряд, который передаёт сильное взаимодействие. Каждый кварк несёт один из трёх «цветов» — красный, зелёный или синий. Комбинация, дающая «бесцветный» результат, образует устойчивую частицу.
Кварки второго и третьего поколений — Charm/Strange и Top/Bottom — гораздо тяжелее кварков первого поколения. Top-кварк весит примерно столько же, сколько целый атом золота, хотя сам является точечной элементарной частицей. Эти тяжёлые кварки возникают лишь при высокоэнергичных столкновениях в ускорителях частиц и практически мгновенно распадаются на более лёгкие частицы первого поколения.
Лептоны — свободные души
Лептоны — это частицы материи, которые, в отличие от кварков, не знают конфайнмента: они могут свободно существовать в природе. Самый известный лептон — электрон, который образует оболочку всех атомов и отвечает за химические связи. Без электронов не было бы ни молекул, ни химии, ни жизни. Электрон известен уже более ста лет и стал одной из первых элементарных частиц, которые вообще были открыты наукой.
Помимо электрона существуют ещё два заряженных лептона: мюон (μ) и тау (τ). Они ведут себя точно так же, как электрон, но гораздо тяжелее: мюон примерно в 207 раз тяжелее, а тау — примерно в 3477 раз. Почему природа создала эти более тяжёлые копии электрона, остаётся одной из великих загадок физики. Обе частицы нестабильны и распадаются за ничтожно малое время.
Три нейтрино — особенно завораживающие частицы: у них нет электрического заряда, нет цветового заряда, а масса настолько мала, что физики десятилетиями считали, что её нет вовсе. Каждую секунду через твоё тело пролетают миллиарды нейтрино — от Солнца или далёких сверхновых — не оставляя ни малейшего следа. Это самые неуловимые частицы из всех, что нам известны.
Бозоны — вестники взаимодействий
Помимо частиц материи существует второй класс — частицы-переносчики взаимодействий, бозоны. Они выступают посредниками между частицами материи — вестниками, переносящими взаимодействие от одной частицы к другой. Фотон — бозон электромагнитного взаимодействия: каждый раз, когда светит свет, притягивает магнит или бьёт молния, в деле участвуют фотоны. Фотон безмассов и всегда движется со скоростью света.
Глюон переносит сильное взаимодействие — ту силу, что удерживает кварки внутри протонов и нейтронов. Название происходит от английского «glue» (клей). На коротких расстояниях это самое мощное из четырёх фундаментальных взаимодействий — достаточно мощное, чтобы преодолеть отталкивание положительно заряженных протонов в атомном ядре. Без глюонов не существовало бы стабильных атомных ядер.
W- и Z-бозоны переносят слабое взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад. Бозон Хиггса занимает особое место: это квант поля Хиггса, которое наделяет остальные частицы массой. Его открытие в 2012 году в ЦЕРН в Женеве стало историческим триумфом — после десятилетий поисков. Это единственная известная элементарная частица со спином 0.
Фермионы и бозоны — два разных мира
Все 17 элементарных частиц можно разделить по спину на две принципиально различные категории. Фермионы обладают полуцелым спином (½) — к ним относятся все кварки и лептоны. Они подчиняются принципу Паули: два фермиона не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние. Именно поэтому атомы устойчивы — электроны не скапливаются все на самом низком энергетическом уровне, а занимают разные орбитали, что и делает возможным всё многообразие химических элементов.
Бозоны же обладают целым спином (0, 1) и принципу Паули не подчиняются. Сколько угодно бозонов может находиться в одном и том же состоянии — это основа работы лазера (множество фотонов в одном состоянии), сверхпроводимости и конденсата Бозе — Эйнштейна, одного из самых экзотических состояний материи. Это различие напрямую следует из соединения теории относительности и квантовой механики — оно не произвольная схема, а глубокая математическая необходимость.
Антиматерия — зеркальное отражение
У каждой элементарной частицы есть античастица с противоположным зарядом, но такой же массой. Античастица электрона — позитрон, античастица протона — антипротон. При Большом взрыве материя и антиматерия возникли почти в равных количествах — однако сегодня Вселенная состоит почти исключительно из обычной материи. Почему возник минимальный дисбаланс, помешавший полному взаимному уничтожению, остаётся одним из самых глубоких открытых вопросов физики.
Когда материя встречается с антиматерией, они полностью уничтожают друг друга — вся их масса превращается в чистую энергию (E = mc²). Этот процесс называется аннигиляцией. В медицине этот эффект уже используют: при позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) применяются позитроны, которые аннигилируют с электронами в теле и порождают гамма-излучение, дающее точное трёхмерное изображение обмена веществ.
Три поколения — почему?
Частицы Стандартной модели упорядочены в три поколения. Первое поколение — электрон, электронное нейтрино, u-кварк и d-кварк — образует стабильную повседневную материю. Все атомы во Вселенной состоят из этих четырёх частиц. Второе и третье поколения тяжелее и нестабильны: они возникают в ускорителях частиц или под действием космического излучения и распадаются за ничтожно малое время на более лёгкие частицы первого поколения.
Почему природа выбрала именно такую тройную структуру, не знает никто. Теоретически могло бы быть и четыре, и пять поколений. Однако точные измерения в ЦЕРН показали, что существует ровно три лёгких типа нейтрино — это ограничивает число полных поколений тремя. Этот факт прочно встроен в Стандартную модель, но до сих пор по-настоящему не объяснён. Это один из многих признаков того, что Стандартная модель, при всех её успехах, ещё не последнее слово науки.
Действительно ли это мельчайшие строительные блоки?
Слово «элементарный» означает: далее неделимый. Согласно нынешнему уровню науки, 17 частиц Стандартной модели считаются точечными — у них нет измеримой протяжённости. Но история физики показывает, что казавшиеся фундаментальными частицы снова и снова оказывались составными: атомы когда-то считались неделимыми, затем появились электроны и атомные ядра, потом протоны и нейтроны, потом кварки. Многие физики предполагают, что может существовать ещё более глубокий уровень.
Стандартная модель блестяща — и всё же неполна. Она не объясняет гравитацию на квантовом уровне, ничего не говорит о тёмной материи (около 27 % Вселенной) и не объясняет, почему существует ровно три поколения частиц. Поиск более всеобъемлющей теории — главный проект физики XXI века.