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