Просто про складне бозони, ферміони, кварки та інші елементарні складові Всесвіту
Теорії та практики
Через велику термінологію більшість популярних книг і статей з фізики елементарних частинок не заглиблюються далі самого факту існування кварків. Складно будь-що обговорювати, якщо широкої аудиторії не до кінця зрозумілі основні терміни. Студент МФТІ та співробітник лабораторії фундаментальних взаємодій Владислав Лялін взяв на себе функцію путівника в те, що називається Стандартною моделлю, — головну фізичну теорію, яка пояснює всі відомі науці частинки та їхню взаємодію між собою, тобто улаштування Всесвіту на найглибшому рівні.
Будова речовини
Владислав Лялін
Отже, все складається із молекул, а молекули складаються з атомів. Атом складається з ядра та хмар електронів навколо нього, які роблять куди складніші рухи, ніж просто обертання. Ядро приблизно в 10 тисяч разів менше за розмір атома, хоча це і є майже вся його маса, і складається з протонів і нейтронів. Як правило, на цьому більшість шкільних курсів фізики закінчуються, але не закінчується фізика. У 50-ті роки минулого століття вчені знали про існування п'яти частинок, які вони називали елементарними. Це були протон, нейтрон, електрон, фотон та електронне нейтрино. Вже за кілька десятків років (з появою перших колайдерів) частинок, які варто було б зарахувати до елементарних, стало кілька десятків, і це число лише зростало. Термін «елементарна частка» довелося переглядати — і заразом вигадувати нову теорію, ще більше заглиблюватися в будову речовини. Згодом було створено теорію, названу Стандартною моделлю, яка описує всі відомі взаємодії (крім гравітації).
Ще з давніхчасів матерія та сили (взаємодії) у фізиці були відокремлені. Ця ідея є і в Стандартній моделі. Всі елементарні частинки в ній поділяються на «цеглини матерії» – ферміони та переносники взаємодії – бозони. Ці класи часток сильно відрізняються один від одного, однією з найяскравіших відмінностей є відсутність принципу заборони Паулі у бозонів. Грубо кажучи, в одній точці простору може бути не більше одного ферміону, але скільки завгодно бозонів.
У стандартній моделі всього шість елементарних бозонів. Фотон не має електричного заряду, він передає електромагнітну взаємодію — ту саму, що зв'язує атоми в молекули. Глюон передає сильну взаємодію та має свій вид заряду (про це ще буде сказано). Саме сильна взаємодія відповідає за ядерні сили, що скріплюють протони та нейтрони в ядрах. W+, W- і Z0 означає, що бозони заряджені відповідно позитивно, негативно та нейтрально (не заряджені). Вони відповідають за так звану слабку взаємодію, яка вміє перетворювати одні частинки на інші. Найпростіший приклад слабкої взаємодії - розпад нейтрону: один з кварків, що становлять нейтрон, випромінює W-бозон і перетворюється на інший кварк, а розпадається на електрон і нейтрино.
Залишається останній бозон – бозон Хіггса. Теоретично він був передбачений ще у 60-х роках минулого століття, але експериментально його існування було доведено лише у 2013 році. Він відповідає за інертну масу елементарних частинок - саме масу, відповідальну за ефекти інерції, а не тяжіння. Квантової теорії, яка б пов'язала і інерцію, і гравітацію, поки що немає.
Елементарних ферміонів набагато більше, ніж елементарних бозонів. Їх ділять на два класи: лептони та кварки. Вони відрізняються тим, що кварки беруть участь усильну взаємодію, а лептони — ні.
Лептони бувають трьох поколінь, у кожному поколінні два лептони - один заряджений і один нейтральний. Перше покоління: електрон та електронне нейтрино, друге – мюон та мюонне нейтрино, третє – тау-лептон та . Лептони дуже схожі один на одного, мюони і (як і електрони) можуть утворювати атоми, замінюючи на орбіталях електрони. Головна їхня відмінність — у масі: мюон у 207 разів важчий за електрон, а в 17 разів важчий за мюон. З нейтрино має бути схожа історія, але їх маси настільки малі, що досі не виміряні. Ці маси точно ненульові, доказ цього факту було відзначено Нобелівською премією у 2015 році. Мюон і нестабільні: час життя мюона приблизно 0,2 мілісекунди (що насправді досить довго), тау-лептон розпадається приблизно в 17 разів швидше. Особливості нейтрино полягають у тому, що вони беруть участь лише у слабкому взаємодії, тому їх дуже важко засікти. Також вони можуть довільно змінювати свій сорт: наприклад, електронне нейтрино може раптово перетворитися на мюонне або навпаки. На відміну від бозонів, лептони мають античастинки. Отже, всього лептонів не 6, а 12.
В англійському слово funny може мати значення «кумедний» та «дивний». Ось кварки таки є funny. Вони смішно називаються: верхній, нижній, дивний, зачарований, чарівний та правдивий. І вони дуже дивно поводяться. Існує три покоління кварків, по два кварки в кожному, і так само у них у всіх існують античастинки. Кварки беруть участь як у електромагнітному і слабкому взаємодіях, і у сильному. Для замітки: ферміони, що беруть участь у сильній взаємодії, називаються адронами; таким чином, адрони - це частинки, що складаються з кварків. Тому Великий адронний колайдер, власне, називаєтьсяадронним: там зіштовхують протони чи ядра атомів (адрони), але з електрони. Кварки люблять утворюватися в частинки із трьох і двох кварків, але ніколи не з'являються по одному. У цьому і полягає їхня дивина. Частинки із трьох кварків називають баріонами, та якщо з двох — мезонами.
Чому вони так роблять? Це відбувається через особливості сильної взаємодії, що утримує кварки в адронах. Сильна взаємодія дуже цікава: замість одного заряду, як в електромагнітному, у сильного їх буває три. І виявляється, що існують тільки нейтральні частинки, а нейтральна частка може бути, тільки якщо в ній є або три різні заряди одного знака, або два однакові заряди різного знака. Через цю особливість (і для зручності) заряди почали називати червоним, зеленим та синім, а відповідні негативні заряди – античервоним, антизеленим та антисинім. Виходить, якщо взяти червоний, зелений і синій, ми отримаємо білий, тобто нейтральний; якщо взяти червоний та античервоний, ми теж отримаємо білий. Це легко запам'ятовується, але варто наголосити, що це не має жодного відношення до квітів, до яких ми звикли в житті. Це просто красива та зручна аналогія зі змішуванням. У стандартній моделі кожен кварк може бути будь-якого з трьох кольорів, а антикварк - будь-якого з трьох «антиквітів». Виходить, що жоден із кварків не може бути безпосередньо зареєстрований, адже вільно існувати можуть лише безбарвні частинки, а кварки розфарбовані. Ця особливість їхньої поведінки називається конфайнментом, що з англійської дослівно перекладається як «ув'язнення».
Конфайнмент
Добре, припустимо, що кварки не можуть існувати вільно. Але якщо просто взяти мезон, що складається з двох кварків, і розірвати його на дві частини? Чи не отримаємо мидва кварки? (Насправді ні.) Уявіть, що мезон дуже розтягують. На відміну від електромагнітного, сильна взаємодія тим сильніша до певної межі, чим частинки, що взаємодіють, далі один від одного. Це схоже на пружину: чим сильніше її розтягувати, тим сильніше вона стискатиметься і тим більше у неї буде енергії. Щоб сильніше стягувати кварки, сильна взаємодія створює нові глюони. І що далі ми їх розтягуємо, то більше глюонів створюється. Але в момент енергія цих створених глюонів стає настільки великою, що вигідніше стає створити нову пару кварк-антикварк, аніж продовжувати плодити глюони. Багато глюонів зникає, натомість з'являються кварк і антикварк. У момент появи кварк-антикваркової пари з чотирьох кварків створюються два мезони, кожен з яких безбарвний.
Може здатися, що теорія замкнута сама на собі і що кварків насправді не існує, а конфайнмент, по суті, милиця, яку вигадали лише для того, щоб припинити пошуки кварків; що це зручна модель, яка має під собою фізичного обгрунтування. Довгий час у наукових колах ходила така думка. Однак пізні теоретичні дослідження та недавні експериментальні показують, що за певних умов кварки можуть залишати адрони. Більше того, цей стан матерії існував практично відразу після великого вибуху, і тільки після сильного охолодження кварки зв'язалися з адронами. Такий стан матерії зараз досліджують на Великому адронному колайдері експерименту ALICE. Для його отримання потрібна температура в два трильйони градусів. Цей стан матерії називається кварк-глюонною плазмою.
Для розуміння, що кварк-глюонна плазма, варто провести аналогію. Уявіть собі воду у невагомості. Вона знаходиться врідкому агрегатному стані, і сил поверхневого натягу вона має вигляд кулі - можна сказати, що вона заточена в цю кулю. Почнемо підвищувати температуру. Коли вона досягне 100 градусів, вода почне кипіти, активно випаровуватися і згодом повністю стане парою, яка вже не матиме сили поверхневого натягу. Явище перетворення води на пару називається фазовим переходом. Якщо продовжити нагрівати пару, то приблизно за 1 400 градусів молекули води поділяться на водень і кисень — здисоціюють, і вода стане сумішшю кисневої та водневої плазм. Це ще один фазовий перехід. Тепер візьмемо газ, але не з молекул води, а з адронів, і почнемо його нагрівати. Доведеться нагрівати дуже сильно, тому що для фазового переходу потрібна температура приблизно в два трильйони градусів. За такої температури адрони як би «дисоціюють» у вільні кварки та глюони. Таким чином, адрон здійснить фазовий перехід у стан кварк-глюонної плазми. Це називається деконфайнментом, тобто процесом звільнення кварків з адронів.