Частица на краю Вселенной

Существуют кварки трех цветов. Совершенно логично было бы считать кварки каждого цвета самостоятельным видом частиц (в этом случае было бы не шесть, а восемнадцать типов кварков), но поскольку все цвета связаны ненарушенной симметрией сильных взаимодействий, мы обычно этого не делаем. Все цветные частицы собираются в бесцветные комбинации, называемые адронами. Есть два простых типа адронов: мезоны, состоящие из кварка и антикварка, и барионы, состоящие из трех кварков, по одному каждого из трех цветов: красного, зеленого и синего. Барионы – это протоны (два верхних и один нижний кварк) и нейтроны (два нижних и один верхний кварк). Пример мезона – пион, который существует в трех видах: один с положительным зарядом (верхний кварк плюс нижний антикварк), другой – с отрицательным зарядом (нижний кварк плюс верхний антикварк), и третий – нейтральный (комбинация верхних кварка-антикварка и нижних кварка-антикварка).

Элементарные фермионы, их электрические заряды и приблизительные значения масс. Массы нейтрино еще точно не измерены, но все они меньше массы электрона. Приведенные значения масс кварков также приблизительны – их трудно измерить, поскольку кварки заперты внутри адронов.

В отличие от кварков лептоны никто не удерживает, и каждый из них может двигаться сам по себе в пространстве. Шесть лептонов также представлены в трех поколениях, в каждом есть одна нейтральная частица и одна частица с зарядом −1. Заряженные лептоны – это электрон, мюон и тау-частица. Нейтральные лептоны – нейтрино (электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино). Массы нейтрино недостаточно хорошо измерены, и способ их получения иной, чем у других фермионов Стандартной модели, поэтому мы их почти не касаемся в этой книге. Известно, что они небольшие (менее одного электронвольта), но не равны нулю.

12 различных фермионов должны рассматриваться как 6 различных связанных между собой пар частиц. Каждый заряженный лептон рождается в паре с соответствующим ему нейтрино, пары также образуют верхний и нижний кварки, очарованный и странный кварки и истинный и прелестный кварки. Вот пример этой парности: когда W⁻-бозон распадается на электрон и антинейтрино, это всегда – электронное антинейтрино. А когда W⁻-бозон превращается в мюон, этот распад всегда сопровождается испусканием мюонного антинейтрино, и так далее. (Хотелось бы сказать то же самое и о кварках, но они на самом деле группируются более сложными способами.) Частицы внутри каждой пары обладали бы совсем одинаковыми свойствами, если бы не один немаловажный фактор – маскирующееся под фон вездесущее поле Хиггса. В реальном мире мы видим, что частицы внутри каждой пары имеют разные массы и различные электрические заряды, но это только потому, что поле Хиггса скрывает присущую им симметричную природу.

Возможно ли, чтобы кварки и лептоны в действительности не являлись элементарными частицами, а были составлены из еще меньших частиц? Конечно, да. У физиков нет никакого корыстного интереса считать известные частицы по-настоящему элементарными. Наоборот, они хотели бы, чтобы те скрывали как можно больше тайн, и потому тратят массу времени, изобретая теоретические модели, основанные на предположении о неэлементарности элементарных частиц, а также проверяя модели экспериментально. Гипотетические частицы, из которых могли бы состоять кварки и лептоны, даже имеют название – «преоны». Однако сегодня мы не имеем ни экспериментального доказательства их существования, ни какой-либо убедительной теории на их счет. Все более или менее сходятся на том, что гораздо вероятнее, что кварки и лептоны элементарны, чем то, что они состоят из каких-либо других частиц. Хотя всегда можно ожидать появления новых данных, которые заставят нас пересмотреть наши взгляды.

Бозоны

Теперь обратимся к бозонам, всегда имеющим целые спины. Стандартная модель включает в себя четыре типа калибровочных бозонов, каждый из которых порождается локальной симметрией природы и соответствует определенному взаимодействию.

Фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия – безмассовые, нейтральные и имеют спин, равный 1. Глюоны – переносчики сильного ядерного взаимодействия – также безмассовые, нейтральные, и имеют спин единицу. Основное различие в том, что глюоны обладают цветом и заперты внутри адронов, как кварки. Из-за этих цветов реально есть восемь различных видов глюонов, но в очередной раз подчеркиваем, что они связаны отношениями ненарушенной симметрией, так что нам не нужно даже присваивать им отдельные имена.

Бозоны – переносчики взаимодействий.

Массы выражены в гигаэлектронвольтах (ГэВ).

Сводная таблица, показывающая, какие частицы (бозоны и фермионы) с какими силами взаимодействуют. Фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, но они не взаимодействуют непосредственно с друг с другом, поскольку они электрически нейтральны. Происхождение массы нейтрино по-прежнему загадочно, так что взаимодействуют ли они с бозоном Хиггса, неизвестно.