65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Вопрос 57. Как устроена Стандартная модель?
После открытия кварков мир элементарных частиц начал приобретать гораздо большую упорядоченность. Стали понятны принципы строения и взаимодействий различных элементарных частиц, а также закономерности их рождения, распада и взаимных превращений. При этом физикам потребовалось довольно небольшое количество исходных постулатов. Эту теорию физики назвали Стандартной моделью. В своем окончательном виде она оформилась в самом начале XXI века и на сегодняшний день является самой фундаментальной теорией, описывающей структуру материи. При этом (что очень важно для любой уважаемой физической теории) Стандартная модель получила множество экспериментальных подтверждений.
Так что же говорит Стандартная модель об устройстве материи? Прежде всего она развивает идею Демокрита о том, что всё состоит из мельчайших частичек и пустоты. Только этими частичками в Стандартной модели выступают не атомы, а фундаментальные частицы. Все они считаются точечными и не имеющими какой-либо внутренней структуры. Частицы материи еще называют фермионами, поскольку они описываются квантовой статистикой Ферми – Дирака. Все они делятся на два типа: кварки и лептоны. Каждый тип содержит по шесть частиц, объединенных в три поколения.
Про кварки мы говорили в предыдущей главе, а вот лептоны заслуживают отдельного внимания. Их название происходит от греческого λεπτός (лептос), что означает «легкий», поскольку первые открытые лептоны были очень легкими. К лептонам относятся уже хорошо знакомый нам электрон, мюон и тау-лептон, открытый в 1975 году. Последние две частицы очень похожи на электрон, имеют такой же спин и электрический заряд, но при этом нестабильны и через очень короткий промежуток времени распадаются.
Также к лептонам относят три вида нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Это самые маленькие и легкие частицы Стандартной модели (минимум в 1800 раз легче электрона). Но при этом по распространенности они занимают второе место во Вселенной после фотонов. Нейтрино рождаются в различных ядерных реакциях вместе со своими партнерами (электроном, мюоном или тау-лептоном), например, таких, которые постоянно происходят на нашем Солнце. Так что от Солнца идет довольно мощный поток нейтрино: всего лишь за 1 секунду через каждый квадратный сантиметр земной поверхности (в том числе и через нас с вами) проходит примерно 60 миллиардов солнечных нейтрино. Однако мы этого не замечаем, поскольку нейтрино обладают чрезвычайно высокой проникающей способностью и практически не взаимодействуют с веществом. Так что практически все эти нейтрино беспрепятственно проходят не только сквозь нас с вами, но и через всю Землю. Подсчитано, что для того, чтобы иметь хотя бы 50 %-ную вероятность столкновения с нейтрино, необходимо его пропустить через свинцовую стену толщиной в один световой год (т. е. примерно 9,5 трлн километров!).
Но давайте вернемся к Стандартной модели. Помимо частиц материи (кварков и лептонов) в нее входят частицы-переносчики взаимодействий. Их еще называют бозонами, поскольку они описываются квантовой статистикой Бозе – Эйнштейна. Мы уже знаем, что фундаментальных взаимодействий (или сил) в природе существует всего четыре: электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия, а также гравитация (но она в Стандартную модель не входит[128]). Каждому из них соответствуют свои частицы-переносчики. Электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством обмена фотонами между любыми частицами, обладающими электрическим зарядом. Эта сила также отвечает за химические связи, силы трения и силы упругости. Сильное взаимодействие происходит только между кварками – за счет обмена глюонами. Без него было бы невозможно существование протонов и нейтронов, а ядра бы развалились на части. Слабое взаимодействие отвечает за некоторые виды радиоактивных распадов, а также за выделение энергии в ядерных реакциях, протекающих в недрах звезд. Благодаря нему наше Солнце светит. Переносчиками слабого взаимодействия являются W- и Z-бозоны. Более подробно о механизмах взаимодействия частиц мы поговорим в главе «Что такое квантовые поля?» (стр. 302).
Помимо перечисленных частиц в Стандартную модель входит еще одна, самая трудноуловимая и потому открытая позже всех остальных – бозон Хиггса. Именно его недоставало для того, чтобы завершить построение Стандартной модели. В чем же важность этой частицы? Дело в том, что в теории массы всех частиц, входящих в Стандартную модель, равны нулю. Но на эксперименте мы видим, что их массы ненулевые. Поэтому потребовался специальный механизм, при помощи которого частицы обретали бы свою массу. Этот механизм предложил в 1964 году британский физик-теоретик Питер Хиггс (1929–2024), за что в 2013 году он был удостоен Нобелевской премии по физике. Суть механизма заключается в следующем: в теорию вводится новое поле (оно так и было названо – хиггсовское поле), которое затрудняет ускорение частиц, но при этом не препятствует их равномерному движению. То есть частицы становится тяжелее разогнать, они оказываются более инертными. А это как раз и означает, что у них появляется масса[129].
Часто приводят следующую аналогию. Если взять кусок пенопласта и покрошить его на стол, то мы получим очень легкие частички: при малейшем дуновении ветерка они разлетятся в разные стороны. Это как раз и означает, что у них очень маленькая инертность (аналог безмассовых частиц). Но если мы разольем на этом столе стакан воды и бросим в получившуюся лужу те же самые частички пенопласта, то за счет сцепления с водой эти частички даже при сильном ветре будут двигаться довольно медленно, как будто они стали тяжелее. Точно так же под действием ветра будут двигаться тяжелые металлические частички. Так вот с элементарными частицами в Стандартной модели происходит нечто подобное: они как бы «цепляются» за хиггсовское поле и тем самым при внешнем воздействии на них разгоняются не так быстро. Поэтому это новое взаимодействие иногда называют пятой силой или пятым фундаментальным взаимодействием (после гравитации, электромагнетизма, сильного и слабого ядерных взаимодействий).
Но раз в природе существует еще одно поле (хиггсовское), то должна существовать и соответствующая
