«Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2008 № 01 (20)

На самом деле далеко не все элементарные частицы действительно элементарны. Есть элементарные лептоны (электрон е, электронное нейтрино v_e, мюон μ, мюонное нейтрино, τ-лептон τ и τ-нейтрино v

_τ со своими античастицами) и шесть элементарных кварков (плюс шесть антикварков): верхний и, нижний d, странный s, очарованный с, прекрасный b и правдивый t. Кварки, соединяясь по два или по три, образуют все остальные частицы, кроме лептонов, переносчиков взаимодействий — фотонов, W- и Z-бозонов (ответственных за слабое взаимодействие, которое приводит, например, к обсуждавшемуся уже здесь β-распаду ядер), глюонов (соединяющих кварки за счет сильного взаимодействия) и гравитонов (не открытых пока экспериментально частиц, ответственных за гравитацию) — и некоторых других частиц (о них чуть ниже). Например, комбинация uud соответствует протону, a ddu — нейтрону. Кварки, естественно, никто не видел в свободном состоянии из-за конфайнмента, то есть удержания (считается, что по мере удаления кварков друг от друга связывающая их сила не убывает, а возрастает, и поэтому их невозможно оторвать друг от друга). Но эксперименты по рассеянию электронов на нуклонах ясно показывают наличие трех рассеивающих центров — партонов, которые и есть кварки.

Основная задача современной физики — поиск простых законов, способных объединить все четыре известных взаимодействия в одно-единственное, проявляющееся в разных формах. При этом лептоны, кварки и переносчики взаимодействий описывались бы теорией как разные состояния одних и тех же частиц. Фундаментальным понятием в таких теориях объединения выступают различные формы симметрии. Этот путь, начатый в середине XIX века Джеймсом Максвеллом, который объединил магнитное и электрическое взаимодействия, пока далеко не пройден и требует еще многих усилий как теоретиков, так и экспериментаторов.

Симметрия в самом общем виде — это неизменность свойств системы при каком-либо ее преобразовании. Простейшая геометрическая симметрия известна из школьного курса. Например, круг не меняется как при зеркальном отражении относительно оси, проходящей по его диаметру (зеркальная симметрия) или при повороте вокруг центра на любой угол (поворотная симметрия). Пример более сложной симметрии — почти полная независимость уравнений электродинамики относительно замены электрического поля на магнитное, и наоборот. Поиском таких (и еще более сложных) симметрий и занята современная физика в попытках построить единую теорию взаимодействий.

Неоткрытые частицы: магнитные монополи и бозоны Хиггса

Физическая теория предсказывает несколько частиц, которые до сих пор не открыты, но физики продолжают верить в их существование, поскольку оно следует из теорий, более или менее точно предсказывающих наблюдаемые факты. W- и Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия — долгое время также были гипотетическими частицами, но в 1983 году их экспериментально обнаружила группа Карло Руббиана на ускорителе в Европейском центре ядерных исследований. Причем с теми в точности свойствами (включая массу), какие предсказывала теория! Здесь мы расскажем о двух частицах: магнитном монополе и бозоне Хиггса, хотя на самом деле гипотетических частиц, предсказанных «на кончике пера», но пока не открытых, гораздо больше.

Итак, магнитный монополь. Электрические и магнитные силы известны с глубокой древности. В начале XIX века между ними была обнаружена глубокая связь. Ханс Кристиан Эрстед открыл, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, а Майкл Фарадей показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. В 60-е годы XIX века Джеймс Клерк Максвелл построил первую теорию, объединяющую два взаимодействия, которые до тех пор рассматривались как две совершенно независимые силы. На основе этих уравнений были предсказаны электромагнитные волны. Уравнения Максвелла почти симметричны — замена в них электрического поля (Е или D) на магнитное поле (Н или В) почти не изменяет систему. Именно это придает им ту красоту и элегантность, которая вот уже полтораста лет восхищает физиков.

Мудрость, заключенная в уравнениях, вполне поддается переводу на общечеловеческий язык. Первые два гласят, что вихрь магнитного поля порождается электрическим током, а вихрь электрического — изменением магнитного поля. Третье — что источником электрического поля служит заряд, а четвертое — что у магнитного поля источника нет.