Рис. 11.1. Диаграмма Фейнмана, демонстрирующая взаимодействие двух электронов, обменивающихся фотоном. Авторская иллюстрация
Итак, в стандартной модели фотон является носителем электромагнитного взаимодействия. Такому взаимодействию подвержены все элементарные частицы, кроме нейтрино. Квантовая теория поля, называемая квантовой электродинамикой, успешно описывающая электромагнитное взаимодействие, была разработана в конце 1940-х учеными Синьитиро Томонагой, Джулианом Швингером, Ричардом Фейнманом и Фрименом Дайсоном. Первые трое разделили в 1965 году Нобелевскую премию по физике, которую не дают более чем троим людям одновременно.
На рис. 11.2 показано столкновение электрона и позитрона, аннигилирующих с образованием Z-бозона, который затем воссоздает эту пару. Это только два примера из множества диаграмм, иллюстрирующих взаимодействия частиц.
W-бозон встречается в двух электрически заряженных состояниях, +e и -e. Вместе с Z-бозоном, не имеющим заряда, он относится к слабым бозонам — носителям слабого ядерного взаимодействия, которому подвержены все элементарные частицы, кроме фотонов и глюонов. О глюонах мы вскоре поговорим.
Самая известная реакция слабого взаимодействия — бета-распад ядра, при котором испускаются электрон и антинейтрино. В стандартной модели в этот фундаментальный процесс вовлечены кварки внутри нуклонов (протонов и нейтронов), которые, в свою очередь, взаимодействуют внутри ядра:
d → u + e- + ν-e.
Рис. 11.2. Электрон и позитрон сталкиваются и аннигилируют, образуя Z-бозон, который затем воссоздает эту пару. Авторская иллюстрация
Чтобы понять, какую роль в этом играет W-бозон, обратитесь к рис. 11.3.
Рис. 11.3. Бета-распад d-кварка. Здесь d-кварк распадается на бозон W- и u-кварк. W- пролетает небольшое расстояние (около 10-18 м), а затем распадается на электрон и антинейтрино электронное. Авторская иллюстрация
Частица, обозначенная в табл. 11.1 буквой g, — это глюон. Было обнаружено восемь различных состояний так называемого цветового заряда глюона, который аналогичен электрическому, но имеет восемь вариантов, метафорически называемых цветами. 1люон является посредником в сильном ядерном взаимодействии, ответственном за удержание нуклонов в ядре. Только кварки взаимодействуют посредством этой силы. В стандартной модели сильное взаимодействие описывается квантовой теорией поля, которую Фейнман назвал квантовой хромодинамикой.
Из сотен новых частиц, открытых в 1960-е, большинство были подвержены сильному ядерному взаимодействию. Этим частицам соответствует родовое понятие адроны. Было обнаружено два типа адронов: барионы, с полуцелым спином, и мезоны, имеющие целый спин. Протон и нейтрон являются барионами. Самый легкий мезон — это пион, или π-мезон, имеющий три варианта заряженного состояния: π+, π0 и π. Свою докторскую работу я посвятил К-мезонам, или каонам, имеющим четыре разновидности: К+, К-, К0, К-0. Они состоят из пар «кварк — антикварк», один из которых — это s-кварк или его античастица. Рассматривать эту тему подробнее нужды нет.
Все адроны, кроме нуклонов, очень нестабильны, некоторые имеют настолько короткое время жизни, что едва успевают пересечь ядро атома, прежде чем распасться. Нейтрон нестабилен, поскольку подвержен бета-распаду, его среднее время жизни составляет порядка 15 минут. Хотя большинство ядер имеет в составе нейтроны, они стабильны, поскольку закон сохранения энергии предохраняет их от распада. В открытом космосе сейчас можно обнаружить не так уж много свободных нейтронов (или других адронов, за исключением фотонов), лишь небольшое количество, которое на мгновение появляется в ходе высокоэнергетических столкновений частиц в космических лучах.
Очевидно, что протон очень стабилен, иначе мы бы не наблюдали столько водорода во Вселенной через 13,8 млрд. лет после ее рождения. Однако, как мы вскоре увидим, потенциальная способность протонов распадаться, хоть и спустя большое количество времени, имеет огромные космологические последствия.
Стандартная модель элементарных частиц и взаимодействий появилась отчасти благодаря попытке уложить все эти новые частицы в простую схему. Ее ожидал впечатляющий успех. Вот эта схема: барион состоит из трех кварков, антибарион состоит из трех антикварков, мезон состоит из кварка и антикварка. Пока не было обнаружено ни одного адрона, который нельзя было бы составить из кварков, перечисленных в табл. 11.1, и их антикварков.
Ядра атомов, образующих знакомую нам материю, состоят из u- и d-кварков. Протон имеет кварковый состав uud, а нейтрон — udd. Любой физический объект, с которым мы имеем дело в повседневной жизни, и любой объект, с которым работают ученые всех специальностей, кроме физики частиц и астрофизики частиц, состоит всего из трех элементарных частиц. Это u- d-кварки, образующие ядра атомов, и электроны, облака которых летают вокруг, формируя атомы.
Открытие в 2012 году частицы, которая почти наверняка является долгожданным бозоном Хиггса, стало «вишенкой на торте» стандартной модели. Бозон Хиггса — частица с нулевым спином, обозначаемая Н, — придает массу лептонам и слабым бозонам. Кварки получают небольшую долю своей массы таким же образом, но большая ее часть возникает благодаря другому механизму, в котором участвует сильное взаимодействие, подробнее описывать которое излишне. Фотон и глюон — безмассовые частицы.
Теперь давайте рассмотрим теоретические построения, лежащие в основе стандартной модели. Мы увидим, что они распространяются далеко за пределы этого отдельного случая, охватывая все наши представления о смысле физических законов.
Симметрия и инвариантность
Центральными понятиями современной физики, от теории относительности и квантовой механики до стандартной модели, являются принципы симметрии и то, каким образом эти принципы нарушаются. Принципы симметрии очень помогли нам в понимании Вселенной — как ранней, так и современной.
Симметрия тесно связана с еще одним понятием — инвариантностью. Идеальная сфера инвариантна в отношении вращения по любой оси. То есть она выглядит одинаково под любым углом. Поэтому мы говорим, что она обладает сферической симметрией.
