Удивительные элементарные частицы



Человек всегда стремился познать окружающий его мир, причем познать его полностью, узнать обо всех законах им управляющих. На данный момент физика элементарных частиц, безусловно, не дает полной картины мира, но раскрывает многие и многие тайны его устройства. Поэтому, будучи человеком, заинтересованным в исследовании Вселенной, необходимо иметь представление о данной науке и конечно о предмете ее изучения, элементарных частицах.

Цели исследования: понять, как устроен мир неживой природы, установить наиболее его общие законы касательно применения модели элементарных частиц.

Объект исследования: элементарные частицы и физика элементарных частиц

Задачи исследования:

1. Изучить литературу и Интернет-ресурсы по физике элементарных частиц
2. Узнать основные характеристики элементарных частиц
3. Выяснить, как исследуются элементарные частицы
4. Узнать о нерешенных проблемах физики элементарных частиц

Актуальность исследования: поскольку физика элементарных частиц на настоящий момент является одной из самых состоятельных моделей описания мира и получает большое развитие, будучи заинтересованным в науке необходимо познакомиться с ней в полной мере, дав не только общие положения о предмете ее изучения, но также узнав ее историю и нерешенные проблемы.

1. Краткая историческая справка

Мысль о том, что атом является мельчайшей единицей материи жила до тех пор, пока люди не смогли «попасть» внутрь атома: оказалось, что тот имеет сложное строение и состоит из более мелких частиц. Первая элементарная частица — электрон — была открыта Дж. Дж. Томсоном в 1897 году во время эксперимента по изучению катодных лучей. Некоторое время спустя, в 1911 году Э.Резерфорд, бомбардируя α-частицами тонкую фольгу, выяснил, что положительный заряд атома скапливается в так называемом атомном ядре, а в 1919 году обнаружил частицы ядра с этим положительным зарядом, протоны. В 1932 году Дж. Чедвик открыл третью частицу, входящую в состав атома — нейтрон, изучая взаимодействия α-частиц с бериллием, которая оказалась не имеющей заряда.

Итак, были открыты три частицы — протон, нейтрон и электрон; однако, возникли вопросы: почему частицы не разлетаются в разные стороны, и если они мельчайшие, то они должны жить вечно, — но выяснилось, что нейтрон распадается на протон, электрон, и что-то еще неуловимое? Так, из предположения Паули об этом «неуловимом», была открыта следующая частица, нейтрино.

Задавая все новые вопросы, люди стали открывать все новые элементарные частицы — например, в 1947 году был открыт пи-мезон, частица, ответственная за ядерные силы, удерживающая протоны и нейтроны внутри ядра атома; в космических лучах была открыт К-мезон (на самом деле было три мезона: один имел положительный электрический заряд, другой — отрицательный электрический заряд, и третий оказался нейтральным. Эти три частицы вели себя несколько странным образом, это так и было названо — «странность». Предположили, что они обладают неким новым свойством, называемым «странностью», и люди стали изучать эти странные частицы).

К настоящему времени открыто около 350 разных элементарных частиц. Безусловно, такое большое число частиц людям захотелось проклассифицировать по характеристикам и свойствам, о которых речь пойдет далее.

1. Основные характеристики элементарных частиц
   1. Классификация элементарных частиц

Основные характеристики элементарных частиц: время жизни, масса, величина спина и виды взаимодействий, в которых принимает участие частица. Рассмотрим каждую из характеристик:

1) По времени жизни все элементарные частицы делятся на два класса: стабильные (частицы, живущие бесконечно большое время в свободном состоянии. К ним относятся протон, электрон, нейтрино, фотон, гипотетический гравитон и их античастицы) и нестабильные (распадающиеся на другие частицы в свободном состоянии за конечное время. К ним относятся все остальные частицы, не перечисленные выше)

2) По массе все элементарные частицы делятся на два класса: безмассовые (частицы с нулевой массой. К ним относятся фотон и глюон) и частицы с ненулевой массой (к ним относятся все остальные частицы)

3) По величине спина все элементарные частицы делятся на два класса: бозоны (частицы с целым спином, например фотон, глюон, мезоны, бозон Хиггса) и фермионы (частицы с полуцелым спином, например электрон, протон, нейтрон, нейтрино)

4) По видам взаимодействий все элементарные частицы делятся на две группы: составные и фундаментальные (бесструктурные). К составным частицам относятся адроны (участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий), а к фундаментальным лептоны, кварки и калибровочные бозоны (участвующие только в определенных фундаментальных взаимодействиях)

В настоящее время известны четыре основных вида фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное (в порядке убывания интенсивности). Именно они удерживают атомы вместе, и именно они описывают наблюдаемые нами явления.

2.2. Свойства элементарных частиц

Какими же свойствами обладают элементарные частицы? Все элементарные частицы подчиняются принципу тождественности (все элементарные частицы одного вида во Вселенной полностью одинаковы по всем своим свойствам) и принципу корпускулярно-волнового дуализма (каждой элементарной частице соответствует волна де-Бройля). Также, все элементарные частицы обладают свойством взаимопревращаемости, являющегося следствием их взаимодействий. Взаимодействия частиц вызывают превращения частиц и их совокупностей в другие частицы и их совокупности, если такие превращения не запрещены законами сохранения (связанными, как известно, с некой симметрией). Таким образом, элементарные частицы могут быть совокупностью других частиц, и они могут превращаться друг в друга из-за взаимодействия друг с другом при соблюдении определенных условий. Рассмотрим каждое из свойств подробнее.

2.2.1.Фундаментальные взаимодействия

Как было сказано в предыдущей главе, в современной физике выделяют четыре вида фундаментальных взаимодействий, однако, существует и пятое, о котором будет сказано позже.

Четыре фундаментальных взаимодействия– электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное — строятся на одном принципе, который заключается в том, что сила между частицами возникает за счет обмена некоторым посредником, переносчиком взаимодействия — взаимодействующие частицы словно играют в бадминтон, где в роли волана выступает частица-переносчик. Идея о дополнительных частицах во взаимодействиях зародилась со времен открытия нейтрино (упомянуто в главе 1), и после нашла свое подтверждение в ряде экспериментов. Опишем все четыре взаимодействия:

1) Электромагнитное взаимодействие строится на основе обмена фотоном, безмассовым квантом света или электромагнитных волн. В этом взаимодействии могут принимать участие только заряженные частицы, и именно это взаимодействие отвечает за распространение света.

2) Посредниками в слабом взаимодействии выступают промежуточные векторные бозоны. Поскольку эти частицы-переносчики довольно тяжелые, то этим и объясняется, почему слабое взаимодействие такое слабое («бадминтон» скорее превращается в «бросание тяжелого мяча»). Слабое взаимодействие играет большую роль в природе: без него, например, погасло бы Солнце, поскольку остановился бы процесс превращения четырех протонов в ядро гелия (который является «топливом» Солнца)

3) В сильном взаимодействии, в котором принимают участие кварки, посредниками являются безмассовые частицы глюоны. Сильное взаимодействие практически не выходит за пределы атома, т. е. является короткодействующим.

4) Четвертое взаимодействие — гравитационное, и оно осуществляется путем обмена квантом гравитационного поля, который называют гравитоном. Гравитон пока экспериментально не обнаружен, квантовую гравитацию мы пока не вполне ощущаем и не вполне умеем описывать.

Все остальные силы — это вторичные эффект этих взаимодействий. Однако, четырех фундаментальных взаимодействий оказалось недостаточно, чтобы объяснить все, что мы видим: в 2012 году была экспериментально обнаружена новая частица, бозон Хиггса, который искали практически 40 лет. Бозон Хиггса тоже является переносчиком взаимодействия между кварками и лептонами и отвечает за приобретение частицами масс (что подробно рассмотрено в пункте 2.2.3). Тем самым число фундаментальных взаимодействий достигло пяти.

Все взаимодействия, которые есть в природе и которые сейчас открыты, таким образом, являются жизненно важными, для того чтобы все, что мы понимаем и знаем, существовало; и все фундаментальные взаимодействия строятся по единому принципу, в чем заключается единство природы. Но иногда возникает вопрос: есть ли новые взаимодействия? Или же, почему взаимодействий только пять, может быть, есть еще? Не исключено, что та модель, нами сейчас рассматриваемая и прекрасно описывающая все наблюдаемые явления, все-таки неполна. Например, если в природе есть новая симметрия, то эта симметрия повлечет за собой появление новых частиц и новых фундаментальных сил, поэтому возможность неполноты современной модели все еще остается.

2.2.2.Взаимопревращаемость как следствие фундаментальных взаимодействий

Изученные в предыдущем пункте фундаментальные взаимодействия обуславливают и превращения частиц и их совокупностей друг в друга, в другие частицы и совокупности. Как именно это происходит? Рассмотрим на примере взаимодействия двух протонов.

Когда протон находится рядом с другим протоном, они, как мы выяснили, играют в «бадминтон» с помощью мезона, переносчика взаимодействия. Если же протон одинок, то он циклически «играет» сам с собой, испуская -мезон и тут же поглощая его обратно, словно жонглер. Из-за многократного повторения актов испускания и поглощения возникает размазка заряда и массы в пространстве. Образно говоря, нуклон (протон + нейтрон) мигает — вспыхивает «мезонным светом» и тут же погасает, и так без конца. Испустив  ⁺ -мезон, протон становится нейтроном, а нейтрон при испускании  ^- -мезона становится протоном. При испускании  ⁰ -мезона протон и нейтрон остаются сами собой. Во всех случаях -мезон входит в состав нуклона.

Сам π-мезон тоже окружает себя «шубкой» из элементарных частиц. Он на короткое время испускает пару π-мезонов. Почему именно пару, а не один мезон — сложный вопрос, связанный с особенностями этой частицы. Главное, что π-мезон состоит из частей, которые не отличаются от целого: мезон состоит из мезонов! Это все равно, что, если бы из гнезда вылетала не птица, а точно такое же гнездо! Более того, π-мезон может на короткое время превратиться в нуклон и антинуклон. Например, π ⁺ -мезон в протон и антинейтрон, а π ⁰ -мезон — в протон и антипротон.

2.2.3.Свойство совокупности элементарных частиц. Адроны и кварки.

Итак, на примере -мезона мы выяснили, что он сам состоит из мезонов. Действительно, сегодня известно, что частицы содержат в себе много разных типов легких и тяжелых частиц, то есть, по факту, элементарные частицы состоят из элементарных частиц.

Открытие этого свойства произошло в тот момент, когда ученые стали находить большое разнообразие адронов (т. е. барионов и мезонов), сильновзаимодействующих частиц. Когда адронов стало около сотни, их классификация уже должна была не просто располагать их по классам, но и объяснять их свойства.

Оказалось, что существуют математические схемы, в которые адроны списываются — эти таблицы, или матрицы, связаны со специальной унитарной унимодулярной группой с тремя элементами SU (3); и все адроны можно расставить по матрицам в соответствии с этой группой. Выяснилось, что эти таблицы неполны. Возник такой же вопрос, который возникал в атомной физике: если атомов химических элементов около сотни, то, может быть, они состоят из чего-то более простого? Как атомные ядра: их около сотни, они строятся из протонов и нейтронов — нужно просто собрать определенное количество протонов и нейтронов, и получается атомное ядро. То же самое и с адронами. Так и было открыто, что вышеупомянутые матрицы связаны с тем, что есть более мелкие объекты, из которых можно построить адроны.

Сначала эти объекты воспринимались исключительно как математическая игрушка. Их предложили два человека: один предложил назвать объекты тузами, а другой кварками. Само слово кварк происходит из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где есть стихотворение со словами «три кварка для мистера Марка». Терминология тузов не прижилась, а забавное слово «кварк» физикам полюбилось.

Спустя некоторое время существование кварков экспериментально подтвердилось, и выяснилось, что классификацию адронов можно понять, если принять во внимание, что они состоят из этих кварков (как и другие элементарные частицы), более маленьких частичек.

Во времена экспериментального нахождения кварков казалось, что для того, чтобы составить все частицы, достаточно всего трех кварков. Эти кварки получили названия: верхний, нижний и странный, u, d и s (от англ. “up”, “down” и “strange”). Всего из трех составляющих можно было построить весь мир элементарных частиц! Все было так прекрасно до тех пор, пока в 1974 году не открыли четвертый кварк, который назвали очарованным, с-кварком (от англ. “charmed”) — тут уже от чудесного стихотворения «Три кварка для мистера Марка» пришлось отойти. Но через некоторое время открыли пятый кварк, а затем и шестой, которые получили названия прелестного (b-кварк, от англ. “beauty/bottom”) и истинного (t-кварк, от англ. “top/truth”)

Так, когда кварков стало уже шесть, физики начали думать об их собственной классификации. Оказалось, кварки обладают любопытным свойством группироваться в пары: первая пара — это u- и d-кварки, которые с самого начала были, вторая пара — это c- и s-кварки, и третья пара — это t- и b-кварки. Пары кварков обладают абсолютно идентичными свойствами — каждая пара. Единственное отличие заключается в том, что каждая следующая пара тяжелее предыдущей. Каждую пару кварков назвали «поколением кварков».

Интересны свойства кварков, обуславливаемые их электрическим зарядом и спином. Поскольку частицы ими образуемые обладают целым электрическим зарядом, стало быть, сами кварки обладают зарядом дробным. Так можно получить все частицы, исходя из знания, из скольких кварков они состоят: например, протон состоит из трех кварков, и естественно предположить, что электрический заряд кварка кратен одной трети. Вот так и выбирается: электрический заряд u-кварка — 2/3, d-кварка — -1/3. Значит, положительно заряженный протон получается — uud: 2/3 + 2/3–1/3 — получается +1. А нейтрально заряженный нейтрон делается так — udd: 2/3–1/3–1 — получается 0. И так все остальное.

Каждый кварк имеет спин ½, и из трех этих самых половинок набирается полуцелый спин бариона, который соответственно состоит из трех кварков. А мезоны имеют спин 0, поэтому они строятся из двух кварков: например, со спином либо +½, либо -½. Так, π-мезон имеет спин 0, а заряд у него бывает либо +1, либо -1, либо 0. Он состоит из двух кварков. Как его «собрать»? Например, взять u-кварк или d-кварк, u- или анти-d-кварк. Также и у кварков есть античастицы, как и у всех частиц. Античастицы имеют противоположный электрический заряд. Если мы возьмем, скажем, u-кварк и анти-d-кварк: u-кварк — это заряд 2/3, у d-кварка — -1/3; соответственно, у анти-d — +1/3; значит, 2/3 + 1/3 получается 1. Вот получается π+ мезон. И так все остальное.

Вот таким образом из кварков с дробными зарядами строятся все наблюдаемые элементарные частицы, как барионы, так и мезоны.

Однако, выяснилось, что частицы всего видимого мира образуют только два кварка, верхний и нижний. Зачем природе понадобились другие кварки? Эта загадка еще не разгадана. Весь видимый мир, все, что мы наблюдаем вокруг себя, состоит из протонов и нейтронов, которые сделаны из двух типов кварков.

2.2.4.Симметрии и спонтанные нарушения симметрии в мире элементарных частиц

Симметрии играют очень важную роль в физике элементарных частиц. С помощью симметрии мы классифицируем частицы, ограничиваем построение теории законами сохранения и даже предсказываем, какие взаимодействия существуют. Дело в том, что известные переносчики всех видов взаимодействий являются частицами, которые продиктованы симметрией. Это связано с тем, что группы симметрии в физике элементарных частиц называются калибровочными группами — это группы, которые зависят от пространственно-временной точки, — или, как иногда принято говорить, локальными симметриями. Эти локальные симметрии, по сути дела, определяют весь облик теории элементарных частиц.

В то же время симметрии иногда бывают неточными, или, как мы иногда говорим, нарушенными. Нарушения симметрии бывают двоякими: бывает явное нарушение симметрии, а бывает, когда в целом вся система остается симметричной, а какие-нибудь начальные или граничные условия этой симметрией не обладают. В таком случае принято говорить о спонтанно нарушенной симметрии. Какое же это имеет отношение физике элементарных частиц? Оказывается, самое прямое. Дело в том, что в физике элементарных частиц существовала проблема, связанная с массами частиц. Точная симметрия, как правило, говорит о том, что частицы являются безмассовыми, поскольку массы, если ввести их в теорию, симметрию нарушают. Например, фотон, — это безмассовая частица. То, что фотон является безмассовой частицей, — это и есть следствие фазовой симметрии квантовой электродинамики; глюон не обладает массой вследствие симметрий сильных взаимодействий. Однако, мы знаем, что другие переносчики, промежуточные векторные бозоны, массой обладают. Как же можно решить эту проблему?

Выход был найден путем использования механизма, который называется метод спонтанного нарушения симметрии. Для этой цели вводится некое скалярное поле, потенциал которого инвариантен относительно вращения вокруг центра. Но стоит нам придать полю какое-то конкретное классическое значение — и его симметрия нарушается, но потенциал, вся теория, все уравнения остаются симметричными. И тогда оказывается, что калибровочные векторные бозоны приобретут массу, и эта масса будет как раз пропорциональна среднему значению классического поля, которое мы ввели. Это же поле обеспечивает массу кваркам и лептонам, и все они приобретают массу.

Подводный камень состоит в том, что если произвести спонтанное нарушение симметрии, то в теории с неизбежностью возникает безмассовое состояние. Это называется теоремой Голдстоуна, а безмассовые состояния называются голдстоуновскими бозонами.

Как же решить эту вновь возникшую проблему? Оказалось, что существует механизм Браута — Энглера — Хиггса (он показал, что безмассовые голдстоуновские бозоны подсоединяются к векторным бозонам, и вместе образуют массивную частицу). В результате в спектре отсутствуют полностью безмассовые состояния. Этот механизм получил экспериментальное подтверждение с открытием частицы, которая сейчас называется бозоном Хиггса. То есть, механизм спонтанного нарушения симметрии в физике частиц используется для того, чтобы частицы приобрели массу.

3. Изучение элементарных частиц
   1. Методы наблюдения элементарных частиц

Элементарные частицы удается наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своем прохождении через вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы, ее импульсе и т. п. Элементарные частицы обнаруживаются по ионизации ими порожденной: однако, если заряженные частицы вызывают ионизацию молекул непосредственно на своем пути, то нейтральные частицы не оставляют следов, а обнаруживают себя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо атомным ядром.

Приборы, применяемые для регистрации ионизирующих частиц, подразделяются на две группы: регистрационные (регистрируют факт пролета частицы и позволяют судить об ее энергии. К этой группе относятся изоляционные камеры и газоразрядные (например, сцинтилляционный) счетчики) и трековые (приборы, позволяющие наблюдать следы частиц в веществе. К числу этих приборов принадлежат камеры Вильсона, пузырьковые, искровые и эмульсионные камеры).

3.2. Исследование элементарных частиц. Ускорители частиц.

При изучении элементарных частиц, люди, безусловно, хотели узнать, из чего они «сделаны», хотели заглянуть в них и понять, есть ли что-то внутри. Как бы мы поступили, если хотели узнать, как устроен какой-то предмет? Как ни странно, мы бы попытались его сломать, разобрать на маленькие части. Например, если бы мы хотели узнать устройство часов, мы бы их разломали — их них вылетели бы шестеренки, колесики, и наши любопытство и стремления к познанию были бы удовлетворены.

Как же можно проникнуть в элементарную частицу? Путь, который был найден, — это разогнать частицу до очень высокой энергии (разгон частицы осуществляется до скорости, близкой к скорости света. А как известно, энергия пропорциональна скорости) и ударить в какую-нибудь мишень. Если мы ударим в мишень, начинаются замечательные превращения, от высвобожденной колоссальной кинетической энергии в результате столкновения рождаются новые частицы, о чем было рассказано в предыдущей главе.

Прибор, который разгоняет частицы до очень высоких энергий, называется ускоритель частиц. Ускорителем частиц является сама Вселенная: простейшим ускорителем, например, является электрическое поле (при наличии электрического потенциала электрически заряженная частица будет в нем двигаться и ускоряться. По сути, для разгона частиц используются электромагнитные поля). Однако люди решили сами научиться разгонять частицы и начали строить ускорители.

Очевидно, что если длина, на которой ускоряются частицы, небольшая, то они просто не успевают набрать большую энергию. Так зародилась идея кольцевого ускорителя: частица будет двигаться по кольцу все быстрее и быстрее, а электрическое или магнитное поле будет ее все время «подхлестывать», и частица будет разгоняться все сильнее и сильнее. Первые такие ускорители, циклотроны, были созданы в середине 20-ого века. Именно с помощью ускорителей частиц были открыты те частицы, о которых раньше мы не знали.

Как же увидеть то, что родилось на ускорителе? Необходимо как-то зафиксировать частицу. То, где частицы фиксируются или детектируются, называется детектор. Сначала детекторами были фотопленки, фотоэмульсии (о которых было рассказано в предыдущем пункте), но в современное время используется компьютерная регистрация частиц. Детекторы стали приобретать очень большие размеры, — например, детектор на общеизвестном Большом Адронном Коллайдере представляет собой четырехэтажный дом, в котором фиксируется все: импульс и заряд частицы, угол, под которым она вылетает. Существуют также специальные детекторы, которые фиксируют только какие-либо определенные частицы, например адроны или лептоны.

Кольца ускорителей имеют большие размеры, и каждый раз люди стремятся создать все более большие кольца. Но зачем такой большой ускоритель? У этого есть две причины. Первая заключается в том, что, когда мы пытаемся достичь все бо́льших энергий, все время нужно большее магнитное поле, которое будет заворачивать частицы по кольцу (в противном случае, они просто улетят), создание которого является сложной технической задачей. Бо́льший радиус ускорителя позволяет обойтись меньшими магнитными полями. Вторая причина состоит в том, что, двигаясь по кольцу ускорителя электрически заряженные частицы испускают свет (синхротронное излучение). Чем сильнее заворачивает частица, тем сильнее она испускает свет и теряет энергию, и в какой-то момент потеря энергии будет сопоставима с закачанной энергией для разгона самой частицы. Поэтому увеличивая радиус ускорителя, можно уменьшить потери энергии, и тем самым разогнать частицу до более высоких скоростей.

Но потери энергии возникают и при ударе частицы об неподвижную мишень (т. е. энергия уходит в движение молекул мишени), что являлось проблемой. Так родилась идея других ускорителей частиц, коллайдеров — когда нет неподвижной мишени, и разгоняются два пучка частиц, которые в конечном итоге сталкиваются друг с другом.

Современные ускорители — это в основном коллайдере. Например, вышеупомянутый Большой адронный коллайдер в Женеве. Там сталкиваются два протонных пучка.

Есть и другой класс ускорителей — линейные коллайдеры, в которых нет кольца. В них частицы разгоняются в кольцевых ускорителях, потом выходят на прямую дорогу и уже летят навстречу друг другу. Благодаря специальной технологии обеспечивается большой градиент ускорения и частицы успевают набрать колоссальную энергию, даже пройдя скоростной отрезок всего один раз. В этом случае нет никаких потерь энергии, поскольку частицы не делают поворотов, а просто несутся друг на друга.

Каждый класс ускорителя имеет свои преимущества и недостатки, но главная задача, которую решает каждый из них — разогнать частицы до максимально возможных энергий. Рекордно достижимая энергия — 7 триллионов эВ. Сейчас это самая большая достижимая энергия, и она позволяет родить частицы с большими массами, которые до сих пор не были доступны исследованию (примером является открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере в 2012 году). В настоящий момент, ученые надеются, что на этом все не закончится, и в будущем будут открываться все новые и новые частицы.

4. Стандартная модель фундаментальных взаимодействий

Изучив все открытые на сегодняшний день фундаментальные взаимодействия элементарных частиц и сами элементарные частицы, ученые захотели объединить полученные знания в модель, которая будет их описывать. Так появилась Стандартная модель фундаментальных взаимодействий, созданная в последней трети 20-го века, подтвержденная экспериментально, принятая и увенчанная Нобелевской премией. Стандартная модель считается триумфально завершенной. Все без исключения эксперименты, которые ставятся на ускорителях, в подземной физике, в космосе, — все они блестяще, совершенно с завидной точностью, с точностью иногда до десяти десятитысячных знаков, описываются Стандартной моделью. В этом смысле это совершенно уникальная модель, которая позволяет описать огромную часть неживой природы с помощью очень простых универсальных математических формул. Однако, такое величайшее изобретение человечества, как Стандартная модель, не учитывает гравитацию и не описывает предполагаемые темную материю и темную энергию, о чем будет сказано далее.

Рис. 1. Стандартная модель

5. Нерешенные проблемы физики элементарных частиц

Триумф Стандартной модели фундаментальных взаимодействий (о котором говорилось в предыдущей главе) может создать впечатление, что все проблемы решены. Однако это, безусловно, не так. Какие же проблемы остались? Прежде всего, остались проблемы внутри самой модели, поскольку осталось много вопросов из разряда «почему?» Во-вторых, остались некоторые явления природы, которые либо выходят за рамки Стандартной модели, либо еще не понятно, как их нужно объяснять.

Начнем с вопросов «почему?». Почему три поколения частиц в Стандартной модели? Когда-то мы думали, что этих поколений просто нет, но в космических лучах и на ускорителях почему-то рождаются копии частиц. Значит, вопрос: почему нужны три копии мира, который мы наблюдаем?

Другой вопрос: зачем природе понадобились три вида взаимодействий, почему именно три, и почему эти три понадобились? Все взаимодействия, которые есть, нам оказались нужны. А нет ли чего-то еще? Может быть, мы еще не все понимаем, может быть, еще не все видим?

Или еще один вопрос: до сих пор не разгадана природа нейтрино, неизвестна ее масса. По всей вероятности, эксперименты ближайших лет позволят эту загадку разрешить, и мы будем точно понимать, что за частица нейтрино, какая у нее масса, является ли она античастицей самой себе или нет, и в этом спектре понимание Стандартной модели завершится.

А. Эйнштейн когда-то мечтал создать единую теорию. Есть ли такая единая теория? Есть много разных идей, например, теория Великого объединения, объединяющая сильные и слабые электромагнитные взаимодействия; но неизвестно, является ли она правильной. Теория струн, являющаяся неким обобщением квантовой теории поля на протяженные объекты, в какой-то момент претендовала на построение такое теории всего, но пока не получилось. Вполне возможно, что мы просто пока не нашли правильной формулировки; возможно, потребуются новые решения, которые позволят построить обобщение того, что нам сейчас известно и понятно.

Однако существуют проблемы, которые требуют какой-то новой теории, и эти проблемы имеют корни в космологии (которая смыкается с физикой элементарных частиц, поскольку ранние события развития Вселенной ей описываются). Одна из таких проблем — проблема темной материи. Из космологии следует, что помимо обычной наблюдаемой нами материи существует другая, которая не испускает света и электрически нейтральна, и ей дали название темной материи. Глядя на Стандартную модель фундаментальных взаимодействий, необходимо ответить на вопрос: откуда взялась темная материя, и из каких частиц она может состоять? В Стандартной модели, видимо, нет подходящего кандидата. Возможно, темная материя описывается одной частицей (которая не входит в наш стандартный набор), а возможно для темной материи придется придумывать свою собственную Стандартную модель.

Другая проблема, пришедшая к нам из космологии, — механизм барионной асимметрии Вселенной. Сама проблема барионной асимметрии (неравномерное распределение материи и антиматерии во Вселенной; преобладание материи над антиматерией) решается за счет некого параметра, называемого фазой, который ответственен за СР-нарушения; но, как было сказано, механизм этого процесса до сих пор не понят. Это должно быть как-то объяснено, иначе наша Вселенная не существовала бы в том виде, в котором она существует сейчас.

Существует еще одна загадка, вероятно, самая сложная — это смежная проблема физики частиц и космологии, проблема темной энергии. Что это такое? Оказывается, количество материи определяет кривизну пространства. Если плотность материи равна критической, то пространство является плоским, если плотность маленькая, пространство имеет отрицательную кривизну (напоминает, скажем, спинку седла), и наконец если плотность материи выше критической, то пространство напоминает сферу, имеет положительную кривизну. Все измеряемое нами вещество во Вселенной дает плотность ниже критической, но есть еще темная материя. Однако, даже если сложить наблюдаемую и темную материю, все равно плотности не хватает до критической аж на 70 %.

Что такое эти 70 % плотности? Это и называют темной энергией, о которой мы пока ничего не знаем. Пока загадка темной энергии остается главной нерешенной проблемой фундаментальной физики. И поиск путей решения вышеупомянутых проблем — перспектива развития такой науки, как физика элементарных частиц.

Выводы

Проведя данное исследование, было выяснено, что, применяя к изучению мира модель элементарных частиц, даже несмотря на ее неполноту, вырисовывается очень красивая теория об устройстве неживой природы, Вселенной. Экспериментально подтверждаемая мысль о том, что все нас окружающее и мы сами состоим из маленьких «кирпичиков», кварков и лептонов, и их комбинации образуют все то разнообразие нашего мира может только восхищать своей элегантностью. Конечно, модель элементарных частиц еще не полна и имеет определенные проблемы, однако, ее можно считать состоявшейся теорией об устройстве мира; теорией, действительно достойной стать главной. Возможно, именно она приведет человечество к единой теории? Остается только разгадывать загадки Вселенной и развивать многообещающую физику элементарных частиц.

Литература:

1. Бопп, Ф. Введение в физику ядра, адронов и элементарных частиц: учебник / Пер. с нем. — М.: «Мир», 1999.- 277 с.
2. Фейнман, Р. Элементарные частицы и законы физики /Пер. с англ. — М.: «Мир», 2000. –137 с.
3. Любимов, А. Введение в экспериментальную физику частиц / под ред. А. Любимов, Д. Киш. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Физматлит, 2001. –267 с.
4. Ляховский, В. Д. Группы симметрии и элементарные частицы: учеб. пособие / В. Д. Ляховский, А. А. Болохов. 2-е изд., испр. — М.: УРСС, 2002. — 371с.
5. Рузавин, Г. И. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для вузов / Г. И. Рузавин. — М.: Гардарики, 2005. — 303 с.
6. Рау, В. Г. Основы теоретической физики. Физика ядерного ядра и элементарных частиц: учеб. пособие для вузов / В. Г. Рау. — М.: Высш. шк., 2005. — 141 с.
7. Верин, О. Г. Природа элементарных частиц, квантовая теория и великое объединение / О. Г. Верин. — М.: Контур, 2006. — 131 с.
8. Физика элементарных частиц // Пост-Наука. URL: https://postnauka.ru/courses/47944
9. Элементарная частица // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Элементарная_частица
10. Стандартная модель // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Стандартная_модель