Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Рис. В.4. Бозоны, входящие в Стандартную модель элементарных частиц. Числа слева вверху указывают электрический заряд. Обозначения: γ – фотон, Z – зет-бозон, W ⁺ и W ^– – дубльвэ-бозоны, g – глюон(ы). Одна карта лежит рубашкой вверх

Взаимодействие одного поля с другим – факт, который мы умеем учитывать в нашем описании природы, но про который мы не спрашиваем, почему именно такие взаимодействия есть в нашей Вселенной, а каких-то других нет; наши представления о взаимодействии полей – это очередное обобщение наблюдений. Согласно этим наблюдениям, взаимоотношения бозонов, показанных на рис. В.4, с фермионами на рис. В.3 отчасти выборочны: бозоны, переносящие какое-либо взаимодействие, вступают в контакт не со всеми фермионами, а только с теми, у которых не равен нулю заряд по отношению к данному взаимодействию. «Вступить в контакт» здесь означает быть испущенным или поглощенным. И поглощение, и испускание – элементарные процессы, которые не раскладываются ни на какие составные части: это описание на языке частиц того, как поля обмениваются энергией. Через обмен агентами и реализуется каждое из взаимодействий: электромагнитное, слабое и сильное. Но агенты из колоды B «немножко козыри» в том смысле, что им безразличны масти карт из колоды F – они обращают внимание только на значения. Вот что они делают.

• Фотон (γ) – переносчик электромагнитного взаимодействия. Он вступает в контакт только с теми элементарными частицами, у которых есть электрический заряд. На рис. В.3 это все, кроме трех нейтрино. Сам же фотон электрического заряда не имеет, из-за чего при испускании и поглощении фотона электрический заряд участников этого процесса не меняется. Фотон – античастица сам себе.

• Зет-бозон (Z) и дубльвэ-бозоны (W^±) – частицы, которые не получили хороших названий, а вместо этого содержат в своем имени технический термин «бозон»; они являются переносчиками слабого взаимодействия. Один из них (Z) нейтральный по электрическому заряду (и античастица сам себе). Два других (W^±) имеют заряды +1 и –1 (и являются античастицами друг для друга) – единственный случай, когда переносчик некоторого взаимодействия сам чувствителен к другому взаимодействию (в данном случае – электромагнитному). Слабое взаимодействие слабое, но чрезвычайно универсальное: зарядом по отношению к нему обладают все фермионы. В моих игорных терминах карты и «совсем козыри», потому что способны «контактировать» с каждой картой из колоды F. Однако это довольно специфические козыри: испускание или поглощение W^± бозонов всегда происходит с изменением не только заряда, но и типа участвующего фермиона, т. е. с изменением значения карты: например, d-кварк испустив W^–-бозон, превращается в u-кварк . Собственно говоря, все приведенные выше примеры превращений кварков происходят в действительности в два этапа (которые крайне быстро сменяют один другой): сначала кварки превращаются по схемам типа

(где можно по-разному распределять масти), после чего распадаются одним из (многих) возможных способов.

• Глюоны (g) переносят сильное взаимодействие между кварками. Они испускаются и поглощаются кварками, причем процесс устроен опять интереснее, чем в случае электромагнитного взаимодействия и фотонов. Переходя от кварка к кварку, глюоны переносят между ними цветовой заряд; цветовые заряды кварков при этом меняются. Цветовой заряд, как и электрический, сохраняется, и из-за этого каждый глюон переносит что-то вроде разности двух зарядов. Например, кварк с зеленым зарядом может испустить глюон и приобрести красный заряд; глюон должен тогда унести с собой зеленый-антикрасный заряд. Встретив красный кварк и поглотившись им, такой глюон превратит этот кварк в зеленый. Встретив же антизеленый антикварк, такой глюон превратит его в антикрасный[316]. Довольно ключевое свойство глюонов состоит в том, что они не только осуществляют обмен цветами между кварками, но и сами взаимодействуют друг с другом: по три или даже по четыре за один раз. Один глюон может разделиться на два или на три, два или три могут слиться в один, и два могут превратиться в два других; все это происходит с сохранением цветового заряда.

Наши представления о кварках и глюонах позволяют дать превосходное описание всего, что с ними происходит, когда кварки весьма близки друг к другу, но мы плохо понимаем, как распространить это описание на случаи, когда расстояние между кварками увеличивается – например, если один из кварков подвергается воздействию, выдергивающему его из протона. В наблюдениях, однако, твердо установлено, что свободные кварки в природе не встречаются; не встречаются вообще никакие образования из кварков, которые несли бы ненулевой цветовой заряд. Это свойство получило название конфайнмент (пленение) кварков.

В колоде бозонов B осталась одна карта, которая на рис. В.4 лежит рубашкой вверх. Перевернув ее, видим что-то вроде джокера:

Это бозон Хиггса (и предмет для отдельной истории).

Литература [317]