5 загадок физики элементарных частиц

О чем нам говорит Стандартная модель и где находится край фундаментальной науки

Дмитрий Казаков

Представляем Вашему вниманию материал портала «ПостНаука» из гида «Атомы науки», приуроченного к 75-летию атомной промышленности. Партнер гида — Росатом.

---

Когда в 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон, стало очевидно, что ядро атома состоит из еще более мелких частиц. Впоследствии это привело к созданию Стандартной модели — теории, которая описывает фундаментальные составляющие Вселенной. Однако и в ней до сих пор имеется множество нерешенных загадок. Вместе с физиком Дмитрием Казаковым, директором Лаборатории теоретической физики им. Н. Н. Боголюбова, ПостНаука выбрала пять самых интересных, чтобы рассказать о них.

Стандартная модель

Стандартная модель — это теория, описывающая фундаментальные частицы, из которых состоит материя, и то, как они взаимодействуют между собой.

К фундаментальным частицам относятся шесть кварков, из которых состоят тяжелые частицы (адроны), и шесть лептонов — частиц, не участвующих в сильных взаимодействиях. Они называются фундаментальными, или элементарными, потому, что мы не видим в них никакой структуры: они не содержат в себе каких-то более мелких частиц. Кварки и лептоны делятся на три поколения. Частицы одного поколения связаны между собой сильнее, чем с частицами других поколений. Единственное отличие частиц разных поколений друг от друга — их масса: частицы более старшего поколения тяжелее частиц младшего.

Стандартная модель описывает три фундаментальных взаимодействия между фундаментальными частицами: электромагнитное, слабое и сильное. Гравитационное взаимодействие не входит в Стандартную модель из-за его ничтожности на микроуровне. Взаимодействия между частицами возникает за счет обмена посредниками. Электромагнитное взаимодействие существует между частицами с электрическим зарядом и строится на основе обмена фотоном. Слабое взаимодействие отвечает за распад частиц и происходит за счёт обмена W- и Z-бозонами. Сильное взаимодействие связывает кварки внутри адронов с помощью обмена глюонами. Поэтому, кроме фундаментальных частиц, есть еще частицы-переносчики взаимодействий: фотоны для электромагнитных взаимодействий, W- и Z-бозоны для слабых взаимодействий и глюоны для сильных взаимодействий.

Наконец, в 2012 году в Стандартную модель вошел бозон Хиггса — частица, обеспечивающая массу других частиц: чем сильнее частица взаимодействует с бозоном Хиггса, тем больше ее масса.

Ксения Рыкова для ПостНауки

Все эксперименты, которые ставятся на ускорителях, под землей и в космосе, с высокой точностью описываются Стандартной моделью. Однако в ней до сих пор есть нерешенные вопросы.

Зачем природа создала три копии самой себя?

Итак, наименьшими бесструктурными частицами на данный момент считаются кварки и лептоны. Лептоны — самостоятельные частицы (например, лептонами являются электрон и нейтрино), а кварки входят в состав адронов, скажем протонаи нейтрона. Адроны — это тяжелые частицы, подверженные сильному взаимодействию.

Екатерина Золоторева для ПостНауки

Известно шесть кварков: up (верхний), down (нижний), strange (странный), charm (очарованный), bottom (прелестный), top (истинный). Названия кварков для удобства сокращают до одной буквы: u, d, s, c, b, t. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Кварки всегда объединены в пары (поколения): u-d, s-c, b-t. Поколения ничем не отличаются друг от друга, кроме массы: каждое следующее поколение тяжелее предыдущего. Тяжелые частицы к концу периода существования всегда распадаются на более легкие, третье поколение (bottom — top) преимущественно распадается на второе (strange — charm), а второе — на первое (up — down).

Наша Вселенная создана из четырех частиц первого поколения: кварков up и down и двух лептонов — электрона и нейтрино. Частицы других поколений были открыты в космических лучах и на ускорителях. Но частицы других поколений не образуют других миров, поскольку очень быстро распадаются на частицы первого поколения и не образуют атомов, составленных из этих частиц.

Зачем же тогда природе понадобились частицы других поколений? Это загадка, на которую на данный момент физика не может дать четкого ответа.

Одно из возможных объяснений связано с так называемой барионной асимметрией Вселенной. Барионная асимметрия — это преобладание частиц над античастицами. Частицы и античастицы аннигилируют, то есть взаимно уничтожают друг друга. Если бы их было равное количество, то они бы аннигилировали, и во Вселенной ничего бы не осталось. В Стандартной модели барионная асимметрия Вселенной возможна только в теории, описывающей мир из трех и более поколений. При наличии одного или двух поколений барионная асимметрия невозможна, а значит, и существование материи тоже.

Почему не бывает свободных кварков?

Адроны являются неделимыми частицами, несмотря на то что состоят из кварков. Это значит, что мы не можем наблюдать кварки вне адронов.

Екатерина Золоторева для ПостНауки

Кварки родились как математические объекты для классификации адронов. Физики Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг в 1960-х годах выдвинули гипотезу о том, что в составе адронов есть три более мелкие частицы. Гелл-Манн назвал эти три частицы кварками, а Цвейг — тузами (прижилось название Гелл-Манна). То есть кварки возникли как удобный математический способ описания для классификации адронов. Сначала сортов кварков было три, позже оно возросло до шести.

Для того чтобы исследовать внутреннюю структуру протона, были проведены эксперименты по рассеиванию электронов на протонах: разгоняли электроны, которые ударяли по протонам, в результате рождались новые частицы. Измерялось количество новых частиц, вылетающих под разными углами. Это количество частиц зависит от энергии налетающих электронов и от энергии, которую электрон передает протону. Но оказалось, что число частиц зависит не от этих двух параметров в отдельности, а от их соотношения. Для того чтобы объяснить такую зависимость, была выдвинута гипотеза о том, что рассеивание происходит не на протоне в целом, а на некоторых точечных центрах внутри протона — кварках. Но по отдельности обнаружить кварки не удается.

Почему же кварки не могут вылететь из протона? Для этого должны существовать какие-то силы, удерживающие кварки внутри. Теория этих сил под названием «квантовая хромодинамика» была предложена в середине 1970-х годов. Переносчиками сил в этой теории стали глюоны (от английского слова glue — «клей»). Глюоны «склеивают» кварки внутри адронов и не выпускают наружу. Но строго математически обосновать и вычислить эту силу пока не получается.

Куда делась антиматерия?

Понятие античастицы появилось, когда в 1928 году английский физик Поль Дирак написал свое знаменитое уравнение для описания электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения: решение со знаком плюс соответствует положительной энергии, решение со знаком минус — отрицательной. Дирак, чтобы объяснить существование второго решения, предположил, что кроме частиц существуют так называемые дырки. Сегодня мы их называем античастицами.

Екатерина Золоторева для ПостНауки

Впоследствии выяснилось, что два решения присущи не только уравнению Дирака, но и другим уравнениям, описывающим релятивистские частицы. Это значит, что если есть частицы, которые удовлетворяют соответствующим уравнениям, то есть и античастицы, являющиеся другими решениями тех же самых уравнений. Иногда оказывается, что частица является античастицей самой себя, то есть два решения уравнения совпадают.

У античастиц знак квантовых чисел противоположен знаку частицы. Квантовые числа — это параметры, характеризующие состояние частицы. Например, у электрона электрический заряд отрицательный, а у позитрона — положительный. Из-за этой разности знаков античастицей самой себя может быть только нейтральная частица, например фотон, у которого нулевой заряд.

Античастицы, как и обычные частицы, образуют связные состояния: антиатомы, антивещество. Но мы этого не наблюдаем — только отдельные античастицы, которые прилетают из космоса или рождаются на ускорителях. Сначала античастицы вообще существовали только в теории, но в 1932 году была открыта античастица электрона — позитрон. Ее обнаружил Карл Андерсон в процессе наблюдения за треками от частиц в камере Вильсона.

Почему же мы не наблюдаем антиматерию? Одна из гипотез говорит о том, что вещество и антивещество могли в какой-то момент разойтись в разные части Вселенной. Если бы это было правдой, то где-то должна была быть граница соприкосновения вещества с антивеществом. Но если частица встречается с античастицей, то происходит аннигиляция, то есть взаимное уничтожение этих частиц. Поэтому на границе соприкосновения происходили бы мощнейшие процессы аннигиляции, и мы бы видели свет от вспышек, однако этого не происходит.

Другое объяснение состоит в том, что изначальный баланс между частицами и античастицами в ранней Вселенной после Большого взрыва нарушился. Если бы частиц и античастиц действительно было бы поровну, рано или поздно они бы все аннигилировали и ничего бы не осталось. Поэтому причиной отсутствия антивещества во Вселенной является перекос в слабом взаимодействии. В результате количество частиц стало превышать количество античастиц. Это явление называется барионной асимметрией Вселенной. После аннигиляции остались «выжившие» частицы, из которых и состоит наш мир.

Из чего состоит темная материя?

Пространство, согласно специальной теории относительности, имеет определенную кривизну (положительную, отрицательную или нулевую), которая определяется плотностью вещества или плотностью энергии во Вселенной.

Если плотность мала, Вселенная имеет отрицательную кривизну, если велика — положительную, а если плотность равна критической, то Вселенная плоская. Эксперименты по наблюдению спектра реликтового микроволнового фона показали, что мы живем в плоском пространстве, то есть в пространстве с нулевой кривизной. Это значит, что плотность вещества во Вселенной должна быть равна критической. Однако если посмотреть на все, что мы видим во Вселенной, — звезды, межзвездный газ и прочее, — то наберется всего процентов пять от необходимого количества плотности. То есть плотность получается очень низкой, но данные экспериментов говорят, что плотность высока и равна критической. Значит, во Вселенной есть что-то еще, кроме обычной материи.

Из данных экспериментов по наблюдению реликтового микроволнового фона также стало ясно, что еще примерно 25% составляет материя, которую мы не видим, потому что она не светится. Это и есть темная материя. Обычная материя и темная составляют вместе примерно 30% от того, что есть во Вселенной.

Остальные 70% называют темной энергией. Темная энергия — это субстанция, не подчиняющаяся обычному уравнению состояния, которому подчиняется материя. Темная энергия — отдельная загадка физики.

Екатерина Золоторева для ПостНауки

Считается, что темная материя состоит из обычных частиц, которые не испускают свет. Такие нейтральные частицы есть в Стандартной модели, например Z-бозон или хиггсовский бозон. Но они очень быстро распадаются, поэтому не подходят на роль частиц темной материи. Частицы темной материи должны существовать со времен Большого взрыва. Поэтому для темной материи нужны не просто нейтральные частицы, а долгоживущие нейтральные частицы. Такой частицей является нейтрино. Но нейтрино — это очень легкая частица, поэтому из него тоже нельзя сделать темную материю.

Получается, что подходящих частиц в Стандартной модели нет, мы не знаем, из чего состоит темная материя, которой во Вселенной в пять раз больше обычной.

Является ли нейтрино античастицей самого себя?

Нейтрино — частица Стандартной модели, которая вместе с электроном и его античастицей — позитроном — относится к лептонам. И если про электрон известно много, то нейтрино до сих пор остается загадкой. Это объясняется тем, что нейтрино относится к нейтральным частицам, а нейтральные частицы почти не взаимодействуют со средой, из-за чего их очень трудно обнаружить.

Екатерина Золоторева для ПостНауки

Все лептоны и кварки описываются комплексными решениями уравнения Дирака. Но у уравнения Дирака есть и действительное решение, справедливое только для нейтральных частиц. Поскольку нейтрино не имеет электрического заряда, оно может быть описано и с помощью этого решения, найденного Этторе Майораной. Для того чтобы понять, является ли нейтрино античастицей самого себя, нужно понять, какому решению оно удовлетворяет: дираковскому или майорановскому. Если нейтрино удовлетворяет последнему, то оно является античастицей самого себя, и две такие частицы при столкновении аннигилируют. Если же нейтрино удовлетворяет дираковскому решению, то не является античастицей самого себя и не может аннигилировать.

Для того чтобы выяснить, является ли нейтрино дираковской или майорановской частицей, нужно провести эксперимент со столкновением двух нейтрино и выяснить, аннигилируют ли они. Пока четкого ответа на этот вопрос нет.

Над материалом работали:
Дмитрий Казаков, доктор физико-математических наук, профессор,
член-корреспондент РАН, директор Лаборатории теоретической
физики им. Н. Н. Боголюбова ОИЯИ
Кристина Астахова, продюсер
Алина Адырхаева, продюсер
Таисия Божко, редактор