65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Хорошо, скажете вы, а что если мы схватимся за один из кварков и попытаемся вытянуть его, например, из протона? На практике схватить такой мелкий объект мы, конечно, не можем. Но что-то аналогичное может произойти при столкновениях частиц: налетающая частица может врезаться в один из кварков и попытаться выбить его из протона. Что же будет происходить в этом случае? При удалении нашего кварка от двух оставшихся силы притяжения между ними будут возрастать (пружинки будут всё сильнее натягиваться), пока в какой-то момент они не оборвутся. И тогда вся накопившаяся энергия связи, которая к тому моменту уже станет достаточно большой, по формуле Эйнштейна E = mc² преобразуется в материю, т. е. в два новых кварка[127]. Один из них присоединится к тому, за который мы тянули (и мы получим мезон, состоящий из двух кварков), а второй займет освободившееся место в протоне. Так что, даже если очень постараться, получить отдельный кварк абсолютно невозможно.

Такое поведение кварков сразу же ставит вопрос о реальности их существования. Если мы не можем (даже теоретически) наблюдать кварки по отдельности, а только их связанные состояния, то как мы можем утверждать, что они вообще существуют? Может, это просто математическая абстракция и не более того? На этот вопрос и у теоретиков, и у экспериментаторов есть множество аргументов в пользу реальности кварков. Во-первых, каждая новая открываемая частица в точности согласуется с описанной кварковой структурой – все они ведут себя так, как если бы состояли из кварков. Более того, теория предсказывает другие возможные комбинации кварков, формирующие элементарные частицы, которые еще не были открыты. И многие из предсказанных частиц со временем действительно обнаруживают в космических лучах или на ускорителях. Во-вторых, при столкновениях высокоэнергичных электронов с протонами на современных ускорителях удалось измерить распределение импульса внутри протона. Оказалось, что протон представляет собой не однородное тело (наподобие бильярдного шара), а внутри него есть отдельные части, обладающие такими же характеристиками (спин, масса, заряд), что и кварки. В-третьих, уже описанный выше эксперимент по выбиванию отдельного кварка из протона происходит в точном соответствии с предсказаниями теории. Также существует множество других более сложных и более точных аргументов, подтверждающих существование кварков. Так что, даже несмотря на то, что по отдельности мы никогда кварки не видели, у физиков нет никаких сомнений в их реальности.

Вопрос 57. Как устроена Стандартная модель?

После открытия кварков мир элементарных частиц начал приобретать гораздо большую упорядоченность. Стали понятны принципы строения и взаимодействий различных элементарных частиц, а также закономерности их рождения, распада и взаимных превращений. При этом физикам потребовалось довольно небольшое количество исходных постулатов. Эту теорию физики назвали Стандартной моделью. В своем окончательном виде она оформилась в самом начале XXI века и на сегодняшний день является самой фундаментальной теорией, описывающей структуру материи. При этом (что очень важно для любой уважаемой физической теории) Стандартная модель получила множество экспериментальных подтверждений.

Так что же говорит Стандартная модель об устройстве материи? Прежде всего она развивает идею Демокрита о том, что всё состоит из мельчайших частичек и пустоты. Только этими частичками в Стандартной модели выступают не атомы, а фундаментальные частицы. Все они считаются точечными и не имеющими какой-либо внутренней структуры. Частицы материи еще называют фермионами, поскольку они описываются квантовой статистикой Ферми – Дирака. Все они делятся на два типа: кварки и лептоны. Каждый тип содержит по шесть частиц, объединенных в три поколения.

Про кварки мы говорили в предыдущей главе, а вот лептоны заслуживают отдельного внимания. Их название происходит от греческого λεπτός (лептос), что означает «легкий», поскольку первые открытые лептоны были очень легкими. К лептонам относятся уже хорошо знакомый нам электрон, мюон и тау-лептон, открытый в 1975 году. Последние две частицы очень похожи на электрон, имеют такой же спин и электрический заряд, но при этом нестабильны и через очень короткий промежуток времени распадаются.