Сколько в действительности существует элементарных частиц? Ответы варьируются от 17 до шокирующих 995,5.
Каждый раз при попытке написать о физике элементарных частиц я сталкиваюсь с парадоксальной неопределенностью в вопросе, который кажется фундаментально простым: сколько же их существует на самом деле?
В экспериментах на Большом адронном коллайдере физики сталкивают протоны, дробя их на всевозможные составляющие. Ученые располагают сверхточным математическим аппаратом, описывающим эти «кирпичики» мироздания и принципы их взаимодействия. Казалось бы, раз частицы можно наблюдать эмпирически и описывать теоретически, их подсчет должен быть элементарным. Однако, как выясняется, всё далеко не так однозначно.
Недавно я обратилась к экспертам с вопросом, как они сами определяют количество фундаментальных компонентов природы. Первый признак глубины этой проблемы прозвучал в ответе Дэвида Тонга, профессора Кембриджского университета и автора профильных учебников: «Думаю, правильный ответ на ваш вопрос — вовсе не целое число!»
Мы вернемся к этому странному выводу, основанному на расчетах 2011 года, а пока давайте разберемся в этой теме с самого начала.
Известные нам частицы подчиняются Стандартной модели — математической конструкции, описывающей «квантовую теорию поля». Согласно этой концепции, Вселенная заполнена квантовыми полями, а то, что мы называем частицами — это лишь волновые возмущения в этих полях. Некоторые из них формируют материю, другие — силы. Данная модель служит фундаментом для всех физических явлений, за исключением гравитации, темной материи и темной энергии, природа которых пока остается для нас загадкой.
Классические учебные пособия обычно насчитывают 17 частиц. В этот список входят 12 фермионов (материя): электроны, мюоны, тау-лептоны, три вида нейтрино и шесть кварков. Далее идут четыре бозона-переносчика: фотон (электромагнетизм), W- и Z-бозоны (слабое взаимодействие) и глюон (сильное взаимодействие). Завершает список бозон Хиггса — скалярная частица, которая не относится ни к материи, ни к силам, а лишь наделяет другие объекты массой через взаимодействие с ними.
«Думаю, 17 — это верный ответ», — утверждает Мелисса Франклин, профессор физики из Гарварда. Тем не менее, даже сторонники этой версии признают наличие существенных нюансов.
Выбор числа зависит от того, насколько глубоко вы готовы погрузиться в дебри квантовой теории. Этот подсчет проходит по самому краю нашего понимания природы реальности.
Главная сложность с цифрой 17 заключается в антиматерии. Специальная теория относительности требует, чтобы для каждой частицы материи существовал «двойник» с противоположным зарядом — античастица. Таким образом, количество материальных частиц возрастает с 12 до 24. Аналогично, существуют W+ и W− бозоны. Франклин исключает их из счета, считая математическим «зеркальным отражением», но с физической точки зрения это сомнительно: античастицы играют принципиально разные роли и постоянно аннигилируют при встрече с материей. Асимметрия между ними — одна из величайших нерешенных проблем науки. С учетом античастиц счетчик доходит до 30.
Далее, глюонов не один, а восемь. Они различаются по своим «цветовым» зарядам. Хотя экспериментаторам сложно выделить их по отдельности, уравнения Стандартной модели требуют учитывать все восемь для корректности вычислений. Это добавляет еще несколько единиц. Кроме того, кварки тоже обладают цветами, что в комбинации с антикварками дает 36 объектов. В сумме это уже 61 частица.
Есть еще понятие хиральности — «лево-» или «правозакрученности». «Я настаиваю на различии между левыми и правыми состояниями частиц, — поясняет Крис Куигг из лаборатории Ферми. — Это физически разные состояния, играющие неодинаковые роли». Например, слабое взаимодействие «видит» только левозакрученные частицы.
Если учитывать каждое состояние хиральности и поляризации (у бозонов их больше), количество частиц возрастает до 118. «А теперь, — интригует Тонг, — перейдем к самому интересному».
Физики оперируют термином «степени свободы» — числом состояний, которые может принимать частица. В разных масштабах их количество меняется. Чем глубже мы проникаем в микромир, тем больше степеней свободы обнаруживаем. Более того, в ранней Вселенной при экстремальных энергиях существовали частицы, которые сегодня стали слишком тяжелыми для появления.
Здесь на сцену выходит работа Адама Швиммера и Зохара Комаргодски. Они доказали, что в квантовых полевых теориях 3 + 1D количество эффективных степеней свободы должно строго убывать при переходе к более крупным масштабам. Их математическое доказательство привело к жестким лимитам: скалярное поле (Хиггса) обладает одной степенью свободы, поле материи — 5,5, а силовое поле — 62. «Ничего иного природа не допускает», — отмечает Комаргодски.
Путь к 995,5 Расчеты Комаргодского опираются на конфигурацию полей до того, как они обрели массу в ранней Вселенной. Исходно существовали четыре скалярных поля, 45 фермионных полей (с учетом всех хиральностей и цветов) и 12 бозонных полей. Математическая формула: (4 × 1) + (45 × 5,5) + (12 × 62) дает 995,5 степени свободы. Дробное значение отражает тот факт, что вариации полей взаимосвязаны и не являются полностью независимыми.
Итого: 995,5 степеней свободы в Стандартной модели. Выглядит запутанно? Безусловно. «Это лишь доказывает, насколько сложна квантовая теория поля и как мало мы на самом деле понимаем», — подытоживает Тонг. Лично я склоняюсь к максимализму, даже осознавая, что это число остается для нас глубокой загадкой. Но, признаться, чистота цифры 17 по-прежнему обладает своей магией.
