Последняя секунда Вселенной

Эта книга не увидела бы свет без поддержки моего научного консультанта и доброго друга Сандера Паэкиви из Института Макса Планка, а также без долгих разговоров о теории струн и обо всем-всем-всем с Анной Гусевой и Аллой Ногай.

Также хочу поблагодарить шеф-редактора Михаила Форрейтера, который одобрил это мое научное послесловие (как у Питера Уоттса!).

Стандартная модель: теория почти всего

Уравнение, которое вы увидели на этой прекрасной обложке авторства художника Lighthouse, – это Стандартная модель (СМ). Это современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц, которая базируется на небольшом количестве постулатов (что прекрасно) и позволяет теоретически предсказывать множество процессов в мире элементарных частиц (что еще прекраснее).

В школе мы все изучали строение атома и свет. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, а вокруг него – электронная оболочка. Частицы света – это фотоны. На самом же деле протоны и нейтроны состоят из других элементарных частиц. Например, протон состоит из кварка и бозона, а нейтрон – из трех кварков.

СМ включает в себя такой зверинец: 6 кварков, 6 лептонов, 4 бозона-переносчика силовых взаимодействий, а также 1 хиггсовский бозон. Если учитывать античастицы и различные заряды у глюонов, то в общей сложности СМ описывает 61 уникальную частицу.

Экспериментальное подтверждение существования W– и Z-бозонов, являющихся переносчиками слабого взаимодействия, в ЦЕРНе в январе 1983 года завершило построение СМ и ее принятие как основной. Физики Карло Руббиа и Симон ван дер Меер получили Нобелевскую премию по физике в 1984 году Открытие b-кварка (1977), t-кварка (1995) и тау-нейтрино (2000) в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб), также подтвердили правильность СМ. После этого осталась лишь одна не открытая, но предсказанная СМ-частица – тот самый бозон Хиггса, существование которого подтвердили в 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК).

В редких случаях предсказания СМ расходятся с экспериментальными данными и становятся предметом споров между физиками.

Стандартная модель описывает три из четырех видов фундаментального взаимодействия всех элементарных частиц в физике:

1. Электромагнитное взаимодействие, которое удерживает электроны внутри атома и атомы внутри молекул. Переносчиком взаимодействия является квант света – фотон.

2. Сильное взаимодействие, которое удерживает протоны и нейтроны внутри атомного ядра, а кварки внутри протонов, нейтронов и других адронов. Переносчиками являются глюоны.

3. Слабое взаимодействие, которое приводит к редким распадам, таким как распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино. Переносчиками являются W– и Z-бозоны.

Стандартная модель не является Теорией всего, так как не описывает темную материю и темную энергию (из которых наша Вселенная состоит чуть менее, чем полностью), а также не включает в себя четвертое фундаментальное взаимодействие – гравитацию.

Уравнение Стандартной модели[42]:

Эта версия СМ написана в лагранжевой форме. Лагранжиан (или функция Лагранжа) является функцией динамических переменных и описывает уравнения движения системы.

Технически СМ можно записать в нескольких различных формулировках, но, несмотря на внешний вид, лагранжиан – один из самых простых и компактных способов представления теории.

Раздел 1

Первые строчки описывают глюоны – фундаментальные бозоны, несущие сильное взаимодействие. Глюоны бывают восьми типов, взаимодействуют между собой и имеют так называемый цветовой заряд. Да, в квантовой механике есть и такое.

Цветовой заряд – квантовое число, в квантовой хромодинамике приписываемое глюонам и кваркам. Эти элементарные частицы взаимодействуют между собой подобно тому, как взаимодействуют между собой электрические заряды, однако, в отличие от электрических зарядов, у которых два знака, цветовых зарядов – три. Их называют «красным» (r), «зеленым» (g) и «синим» (b), но эти названия не имеют никакого отношения к цветам, которые мы видим в повседневной жизни. Для каждого цвета существует также антицвет: «антикрасный», «антизеленый» и «антисиний».

Раздел 2

Почти половина этого уравнения посвящена объяснению взаимодействий между бозонами, особенно W– и Z-бозонами.

Бозоны – это частицы, переносящие взаимодействие других частиц, и существует четыре вида бозонов, которые взаимодействуют с другими частицами, используя три фундаментальные силы. Фотоны несут электромагнетизм, глюоны несут сильное взаимодействие, а бозоны W и Z несут слабое взаимодействие. Совсем недавно открытый бозон, бозон Хиггса, немного отличается; его взаимодействия появляются в следующей части уравнения.

Раздел 3

Эта часть уравнения описывает, как элементарные частицы материи взаимодействуют со слабым взаимодействием. Согласно этой формулировке, частицы вещества бывают трех поколений, каждое из которых имеет разную массу (каждый член следующего поколения имеет массу большую, чем соответствующая частица предыдущего). Слабое взаимодействие помогает массивным частицам распадаться на менее массивные частицы.