Стандартная модель — это теория, описывающая все обнаруженные на сегодня элементарные частицы и три из четырёх фундаментальных взаимодействий между ними: электромагнитное, сильное и слабое (все, кроме гравитации). Элементарные частицы можно расположить в таблице, подобной таблице Менделеева для атомов. Мы попросили художника придумать каждой частице человеческий образ на основе её имени и свойств.
Стандартная модель больше не имеет пустых клеточек. После открытия бозона Хиггса в 2012 году все её параметры стали известны. Частицы в Стандартной модели делятся на два типа: фермионы (которые состоят из кварков и лептонов) и бозоны. Из фермионов строится вещество, а бозоны обеспечивают взаимодействие между ними.
Кварки — это «кирпичики», из которых построено всё, что нас окружает: планеты, люди, смартфоны. Кварки очень нежные, не могут существовать в одиночку, поэтому крепко дружат между собой — не разлей вода, что называется. Они объединяются в тройки, образуя частицы, из которых состоят ядра атомов, — протоны и нейтроны. У кварков есть особый заряд для взаимодействия. Но у этого заряда не 2 полюса (+ и -), а целых три, обозначаются они цветом (красный, жёлтый, синий). Поэтому они и объединяются по три. Чтобы получить 1 протон, надо взять 2 верхних кварка и 1 нижний. Когда они объединятся, заряды сложатся. Цветной заряд станет белым (нейтральным, нулевым). А обычный заряд будет суммой зарядов составляющих его кварков 2/3 + 2/3 — 1/3 = 1. И действительно, у протона заряд +1. А чтобы получить нейтрон, надо взять два нижних кварка и один верхний; обычный заряд у нейтрона вы и сами знаете какой.
Спин — свойство частицы в микромире, которому нельзя найти аналог в мире обычном. Само слово в переводе с английского означает вращение, но этот смысл условный. Спин, отличный от нуля, усложняет формулу, которой описывается движение частицы (её волновую функцию). Если спин равен нулю, то её волновая скалярная, а решение — число, не вектор. Такая частица в Стандартной модели одна, это бозон Хиггса. Если спин больше нуля, уравнение сложнее: поведение частицы описывается вектором, то есть она имеет направление. Полуцелый (½) спин имеют кварки и лептоны. Целый (1) спин имеют все бозоны, кроме хиггсовского.
Заряд. Обычный электрический заряд — электроны, несущие элементарный отрицательный заряд, бегут в знакомых нам электрических проводах. В микромире, однако, кварки имеют и дробный заряд, но они регистрируются при очень высоких энергиях и стремятся объединиться, чтобы заряд оказался целым. Так появляются протоны (+1) и нейтроны (0).
Масса в таблице дана не в граммах, как обычно, а в мегаэлетронвольтах (МэВ), то есть в миллионах электронвольт (эВ), как принято в микромире. 1 эВ — это энергия, необходимая, чтобы перетащить электрон между точками с разницей потенциалов в 1 В. Но почему масса измеряется в единицах энергии? Формула Е = mc2 утверждает, что энергия равна массе, умноженной на скорость света в квадрате. Поскольку скорость света постоянна, массу можно измерять в единицах энергии.
Лептоны поэфемернее, но тоже часть вещества. Все атомы состоят из крепко сидящих в обнимку в центре атома кварков и суетящихся вокруг в больших облаках электронов (самых знакомых нам лептонов). Мюон потяжелее электрона, но очень на него похож, с таким же отрицательным зарядом. В экспериментах может даже стать в атом на место электрона. Тау-лептон самый тяжёлый, обнаружен был в ускорителе.
Нейтрино — самые загадочные лептоны. Они почти никак не взаимодействуют с веществом и легко пролетают сквозь Землю и даже сквозь большинство звёзд. А предсказал их ещё в 1930 году Вольфганг Паули — новая лёгкая частица нужна была физикам, чтобы при бета-распаде ядер соблюдался закон сохранения энергии. В физике так часто бывает: сначала теория диктует необходимость в какой-то частице с конкретными свойствами, а потом её и правда находят. В теории нейтрино не должны были иметь массы, но оказалось, что они всё-таки чуточку массивны. А вот частицы, которые придают нейтрино массу, науке пока неизвестны.
Бозоны переносят три основные взаимодействия микромира.
Глюоны (от англ. «клей») переносят сильное взаимодействие. Они склеивают кварки так сильно, что, скажем, протон считается абсолютно стабильной частицей, его распад не зафиксирован. Художник нарисовал глюону 8 рук и глаз, потому что на самом деле глюон не один — есть 8 разных глюонов с разными цветовыми зарядами. Фотон — частица видимого света, а также света невидимого, в том числе радиоволн, гамма-излучения, рентгеновских лучей. Он переносит электромагнитное излучение. Фотон — самая быстрая вещь на свете, он не имеет массы и летит со скоростью света, потому что и есть свет.
W- и Z-бозоны переносят слабое взаимодействие, которое обнаруживается при некоторых типах радио- активного распада и действительно слабее сильного и электромагнитного. В отличие от фотона, они имеют массу и в ускорителях могут превратить лёгкие кварки в более тяжёлые. W-бозонов на самом деле два, один имеет положительный заряд, второй — отрицательный. Z-бозон нейтральный.
Бозон Хиггса никакого взаимодействия не переносит, но делает не менее важную вещь. Он придаёт массу всем имеющим массой частицам, за исключением нейтрино.
Каждому бозону соответствует поле взаимодействия и красивая математика, поля-пространства разной сложности. 8 глюонов, 3 бозона слабого взаимодействия, 1 фотон и 1 бозон Хиггса (но его поле не векторное, а скалярное — состоит из точек, а не из направлений). Иногда в бозоны записывают гипотетический гравитон, переносчик гравитационного взаимодействия, но никто, даже Стандартная модель, про него ничего не знает, а всё, что связано с гравитацией, хорошо описывает общая теория относительности. Что-то должно переносить и гравитацию, но тут начинается новая, неизвестная нам физика.
Вот и вся Стандартная модель. Или нет, не вся! Мы же знаем, у частиц материи есть зеркальные отражения — античастицы. Поэтому рядом должна быть таблица с антикварками и антилептонами, но её вы можете нарисовать сами, не забыв поменять заряд у частиц.
Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» № 1 (42) 2020 г.