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

Также к лептонам относят три вида нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Это самые маленькие и легкие частицы Стандартной модели (минимум в 1800 раз легче электрона). Но при этом по распространенности они занимают второе место во Вселенной после фотонов. Нейтрино рождаются в различных ядерных реакциях вместе со своими партнерами (электроном, мюоном или тау-лептоном), например, таких, которые постоянно происходят на нашем Солнце. Так что от Солнца идет довольно мощный поток нейтрино: всего лишь за 1 секунду через каждый квадратный сантиметр земной поверхности (в том числе и через нас с вами) проходит примерно 60 миллиардов солнечных нейтрино. Однако мы этого не замечаем, поскольку нейтрино обладают чрезвычайно высокой проникающей способностью и практически не взаимодействуют с веществом. Так что практически все эти нейтрино беспрепятственно проходят не только сквозь нас с вами, но и через всю Землю. Подсчитано, что для того, чтобы иметь хотя бы 50 %-ную вероятность столкновения с нейтрино, необходимо его пропустить через свинцовую стену толщиной в один световой год (т. е. примерно 9,5 трлн километров!).

Но давайте вернемся к Стандартной модели. Помимо частиц материи (кварков и лептонов) в нее входят частицы-переносчики взаимодействий. Их еще называют бозонами, поскольку они описываются квантовой статистикой Бозе – Эйнштейна. Мы уже знаем, что фундаментальных взаимодействий (или сил) в природе существует всего четыре: электромагнетизм, сильное и слабое ядерные взаимодействия, а также гравитация (но она в Стандартную модель не входит[128]). Каждому из них соответствуют свои частицы-переносчики. Электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством обмена фотонами между любыми частицами, обладающими электрическим зарядом. Эта сила также отвечает за химические связи, силы трения и силы упругости. Сильное взаимодействие происходит только между кварками – за счет обмена глюонами. Без него было бы невозможно существование протонов и нейтронов, а ядра бы развалились на части. Слабое взаимодействие отвечает за некоторые виды радиоактивных распадов, а также за выделение энергии в ядерных реакциях, протекающих в недрах звезд. Благодаря нему наше Солнце светит. Переносчиками слабого взаимодействия являются W- и Z-бозоны. Более подробно о механизмах взаимодействия частиц мы поговорим в главе «Что такое квантовые поля?» (стр. 302).

Помимо перечисленных частиц в Стандартную модель входит еще одна, самая трудноуловимая и потому открытая позже всех остальных – бозон Хиггса. Именно его недоставало для того, чтобы завершить построение Стандартной модели. В чем же важность этой частицы? Дело в том, что в теории массы всех частиц, входящих в Стандартную модель, равны нулю. Но на эксперименте мы видим, что их массы ненулевые. Поэтому потребовался специальный механизм, при помощи которого частицы обретали бы свою массу. Этот механизм предложил в 1964 году британский физик-теоретик Питер Хиггс (1929–2024), за что в 2013 году он был удостоен Нобелевской премии по физике. Суть механизма заключается в следующем: в теорию вводится новое поле (оно так и было названо – хиггсовское поле), которое затрудняет ускорение частиц, но при этом не препятствует их равномерному движению. То есть частицы становится тяжелее разогнать, они оказываются более инертными. А это как раз и означает, что у них появляется масса[129].

Часто приводят следующую аналогию. Если взять кусок пенопласта и покрошить его на стол, то мы получим очень легкие частички: при малейшем дуновении ветерка они разлетятся в разные стороны. Это как раз и означает, что у них очень маленькая инертность (аналог безмассовых частиц). Но если мы разольем на этом столе стакан воды и бросим в получившуюся лужу те же самые частички пенопласта, то за счет сцепления с водой эти частички даже при сильном ветре будут двигаться довольно медленно, как будто они стали тяжелее. Точно так же под действием ветра будут двигаться тяжелые металлические частички. Так вот с элементарными частицами в Стандартной модели происходит нечто подобное: они как бы «цепляются» за хиггсовское поле и тем самым при внешнем воздействии на них разгоняются не так быстро. Поэтому это новое взаимодействие иногда называют пятой силой или пятым фундаментальным взаимодействием (после гравитации, электромагнетизма, сильного и слабого ядерных взаимодействий).

Но раз в природе существует еще одно поле (хиггсовское), то должна существовать и соответствующая частица, квант этого поля[130]. И такую частицу после десятков лет поисков действительно удалось зафиксировать 4 июля 2012 года на Большом адронном коллайдере. Ее назвали бозоном Хиггса. Это был последний недостающий элемент для полноты Стандартной модели. Теперь все наблюдаемые явления в физике элементарных частиц (как уже известные, так и открываемые в новых экспериментах) с высочайшей степенью точности описываются уравнениями Стандартной модели, которая на сегодняшний день является самой фундаментальной теорией природы.