В гиде On the Edge, который мы подготовили вместе с Отделом культуры и образования Посольства Великобритании в Москве, профессора из ведущих британских университетов объясняют 15 главных научных тем, которые должен понимать каждый образованный человек. Следите за новостями проекта и будьте на крае науки вместе с нами.

Стандартная модель — это очень скромное название для поразительного корпуса знаний, который объясняет огромное количество физических процессов во Вселенной: каковы ее фундаментальные составляющие, каковы фундаментальные силы природы и как они объединяются и образуют мир вокруг нас. Так что Стандартную модель стоило бы назвать покрасивее, но получилось вот так. Когда я рос в Манчестере, там был хороший индийский ресторан под названием The Standard Indian Restauran — думаю, имелся в виду «штандарт», как флаг, который вы несете перед собой. Именно так стоит воспринимать Стандартную модель: это лучшая модель, как в Манчестере был лучший ресторан.

Это множество идей, объединенных одним ключевым принципом, который связан с идеей симметрии и так называемых калибровочных симметрий — о них мы скоро поговорим. Он возник при попытках понять фундаментальные силы природы. В середине XX века Фейнман, Швингер и Томонага создали первую полную квантовую теорию одного из взаимодействий современной Стандартной модели. Это был электромагнетизм, то есть свет, фотоны, взаимодействие заряженных частиц. Эта теория — преемница уравнений Максвелла, разработанных много раньше. Но Фейнман, Швингер и Томонага создали прочную квантовую теорию, потрясающе точную и обладающую предсказательной силой. Она была основана на идее симметрии.

Рекомендуем по этой теме:
Журнал
Шаровая молния

Ученые подумали: мы знаем, что в природе есть и другие силы. Есть слабое взаимодействие, которое тогда только начали изучать. Оно связано с радиоактивным распадом, с термоядерными реакциями на Солнце. Можем ли мы использовать эти принципы, которые так хорошо работают для электромагнетизма, чтобы описать остальные взаимодействия? Кроме того, в 1960–1970-х годах стало ясно, что есть и другие частицы, которые мы называем адронами. Они участвуют в сильном ядерном взаимодействии, которое удерживает вместе протоны и нейтроны в атомном ядре. Можем ли мы осмыслить сильное взаимодействие в рамках принципа симметрий?

Когда у вас появляется хорошая идея, вы пытаетесь ее применить ко всему подряд, так что идею симметрии решили приложить к описанию всех взаимодействий. С этим были связаны два больших прорыва, возникших при решении проблем, одна из которых состояла в том, что адронов слишком много: их взаимодействие не попадало под принцип симметрий. Это решили только в 1970–1980-х годах, когда стало ясно, что адроны — это не фундаментальные частицы: они состоят из кварков. Поняв это, вы можете сформулировать теорию о том, что удерживает кварки вместе, что это за фундаментальное взаимодействие. Его переносят глюоны. Вся эта теория вошла в Стандартную модель под названием «квантовая хромодинамика». Аналогично тому, как у электронов есть электрический заряд, нужно было придумать другой тип заряда для сильного взаимодействия — его назвали цветом. Для этого нет абсолютно никакой причины. Иногда мы используем знакомые слова даже для тех сил и идей, которые нам абсолютно незнакомы.

Итак, в сильном взаимодействии есть симметрия — квантовая хромодинамика. Это хромодинамика, которая отчасти похожа на симметрию фотонов, но все же немного отличается. Например, глюоны немного похожи на фотоны, но есть и различия. Они в том числе связаны с тем, что кварки не могут существовать в свободном виде. Электроны могут существовать в свободном виде, но кварки — нет. Это связано с природой сильного взаимодействия. Эту теорию разрабатывали десятилетиями — в 1960-х, 1970-х, 1980-х и позднее, в 1990-х, и даже сейчас мы по-прежнему пытаемся понять, как работает сильное ядерное взаимодействие.

Я проскочил еще одно фундаментальное взаимодействие Стандартной модели — слабое взаимодействие. С одной стороны, его должно быть проще понять, чем сильное. Мы знали, что в нем участвуют электроны и мюоны, нам не нужно было ждать открытия кварков, чтобы понять происходящее. С другой стороны, возникло много проблем с математическим описанием этого взаимодействия, и несколько раз ученых сбивало представление о том, что пи-мезон — это связанная со слабым взаимодействием фундаментальная частица. В итоге мы поняли, что и за этим взаимодействием стоит симметрия.

Рекомендуем по этой теме:
Журнал
3 нерешенные проблемы фундаментальной физики

Слабое взаимодействие отличается от остальных тем, что частицы, которые его переносят, обладают массой. Из этого следует несколько выводов. Прежде всего, в слабом взаимодействии участвуют только левоспиральные частицы, а не правоспиральные, но это другое. Весь этот вопрос с массой поставил нас в тупик. К тому же слабое взаимодействие не очень понятным образом сочетается с электромагнитным. Наконец, надо понять, как могут существовать W- и Z-бозоны, которые похожи на фотоны. Электромагнитное взаимодействие переносится фотонами, сильное ядерное взаимодействие — глюонами. И те и те — безмассовые частицы. Но слабое взаимодействие переносится W- и Z-бозонами, которые обладают массой. Ввести эту массу в теорию очень сложно, и в результате в рамках Стандартной модели была объявлена последняя частица — бозон Хиггса, который придает массу в первую очередь W- и Z-бозонам, а затем и остальным фундаментальным частицам. Бозон Хиггса — это проявление фонового энергетического поля Вселенной, и через взаимодействие с ним W- и Z-бозоны и другие частицы приобретают массу./p>

В итоге вы получаете картину, к которой мы пришли, преодолевая трудности, но быстро. Стандартная модель основана на трех силах: электромагнетизме, сильном взаимодействии и слабом взаимодействии. Есть шесть типов частиц, образующих материю: есть электрон и его нейтрино, у которого нет электрического заряда, а также верхний и нижний кварки. С их помощью вы можете построить всю остальную материю: два верхних и нижний кварки образуют протон, два нижних и верхний кварки — нейтрон, а когда вы получили протоны и нейтроны, вы можете создать атомное ядро. Затем, если у вас есть еще и электрон, вы можете сделать все атомы, всю химию и все, что мы видим вокруг нас.

Но по загадочным, непонятным для нас причинам природа создала копии этой системы. Существует более тяжелая версия электрона — мюон, у которого есть свой нейтрино, и очарованный и странный кварки. И есть еще более тяжелая копия — тау-лептон со своим нейтрино и истинный и прелестный кварки. Мы видим три поколения по четыре частицы в каждом, которые взаимодействуют через обмен бозонами. В электромагнитном взаимодействии участвуют все обладающие зарядом частицы, то есть все, кроме различных нейтрино. В слабом взаимодействии участвуют все частицы, и все очень слабо. В сильном взаимодействии участвуют только кварки. И за всеми ними стоит бозон Хиггса, благодаря которому у них есть масса.

В этой системе есть много загадочных параметров, которые мы не понимаем. Почему именно три поколения частиц? Почему у них такие массы? Почему истинный кварк такой тяжелый, а нейтрино такое легкое? Все это мы не понимаем, но тем не менее есть шесть кварков, шесть лептонов — электронов и нейтрино — и три взаимодействия, основанных на принципе симметрий. С такой системой можно объяснить все, что мы видим в наших ускорителях, всю периодическую таблицу и, следовательно, биологию. Неплохо для концепции под названием «Стандартная модель».

Бозон Хиггса — это последняя частица, предсказанная Стандартной моделью, открытая сравнительно недавно — в 2012 году. Но это не значит, что в Стандартной модели нет нерешенных вопросов. Теперь, когда мы открыли бозон Хиггса, мы знаем, что Стандартная модель может предсказывать, что будет происходить при очень высоких энергиях, но тогда начинается что-то очень странное, что мы не совсем понимаем. Вычислить некоторые данные с помощью Стандартной модели бывает сложно, хотя, по идее, она может предсказывать все. Например, в сильном взаимодействии мы не знаем, как вычислить все массы адронов. С некоторыми у нас это получается, прогресс есть, но это трудно. Так что у нас есть базовая теория, и мы последовательно делаем все выводы и пытаемся понять вытекающие из них явления. Но это очень сложно сделать с сильным взаимодействием, а на высоких энергиях — со всеми взаимодействиями. Так что здесь еще нужно проделать интересные вычисления, преодолеть всевозможные трудности и решить технические задачи.

В Стандартной модели есть элементы, которые кажутся произвольными, но словно указывают на ее глубинную структуру. Вспомним периодическую таблицу химических элементов. Структура этой таблицы — гениальный прорыв, поскольку она дает ключ к пониманию того, как устроены атомы. Вы видите сходства в поведении элементов в каждой колонке; кроме того, чем ниже, тем тяжелее они становятся. Это перекликается с моим описанием Стандартной модели: у вас есть электрон, нейтрино, верхний и нижний кварки, а дальше все дублируется, но в более тяжелой версии. Возможно, это указывает на то, что все это не фундаментальные частицы. Возможно, как и атомы, они сделаны из чего-то еще. Возможно, есть какой-то глубинный принцип, согласно которому должны быть три копии одних и тех же частиц и они должны становиться все тяжелее. Мы не знаем. Стандартная модель очень тонкая и сложная, и может оказаться, что все это встроено в нее так, что мы это не совсем понимаем. Но более вероятно, что за Стандартной моделью стоит физика, которую мы еще не знаем.

Я коротко упомянул, что в слабом взаимодействии участвуют только левоспиральные частицы. Под лево- и правоспиральными я имею в виду, что у них есть спин, и если он направлен против движения частицы, то она левоспиральная, а если по движению, то правоспиральная. Спиральность зависит от того, куда направлен спин — по движению частицы или против. У частиц есть свойство — хиральность, которое очень тесно связано со спином и спиральностью; для массивных частиц это по сути то же самое. Мы знаем, что в слабом взаимодействии участвуют только левоспиральные частицы и правоспиральные античастицы, но мы не знаем почему. Есть ли другая версия слабого взаимодействия, более слабая, которая работает для всех остальных частиц? Мы не знаем.

Я только что упомянул античастицы, даже не говорил о них раньше. В Стандартной модели у каждой частицы есть античастица. У электрона есть пара — позитрон с положительным зарядом (у электрона заряд отрицательный). Аналогично есть верхний и нижний антикварки, из которых можно сделать антипротон — в ЦЕРН сейчас создают антиводород из антипротона и антиэлектрона.

Так что антиматерия существует, но мы не понимаем, почему ее не так много. Логично предположить, что во время Большого взрыва было равное количество материи и антиматерии, поскольку в наших ускорителях все именно так. Но в таком случае куда делась вся антиматерия? Во Вселенной ее нет. Мы можем ее сделать, но, судя по всему, планет и галактик из антиматерии нет. Это еще одна загадка: мы знаем, что антиматерия существует, но мы не знаем, почему ее так мало. Это странно.

Рекомендуем по этой теме:
События
Семинар «Темная материя: энергетический баланс Вселенной»

Наконец, долгое время мы считали, что нейтрино — эти загадочные частицы, которые участвуют только в слабом взаимодействии, — не имеют массы. Теперь мы знаем, что это не так: у них есть масса, но очень маленькая. Это еще одна загадка: почему масса должна быть ненулевой, но такой маленькой? Но другой вопрос связан с антиматерией. Антиматерия — это как обычная материя, но с обратным зарядом. Под зарядом нужно понимать не только электрический заряд, но и цветовой в сильном взаимодействии и заряд слабого взаимодействия. Они все инвертированы. Нейтрино не участвует в сильном взаимодействии, так что заряд сильного взаимодействия у него нулевой, он не инвертируется. У него нет электрического заряда, так что это тоже не меняется. И правоспиральное нейтрино не принимает участия в слабых взаимодействиях, в них участвуют только левоспиральные частицы.

И получается, что нейтрино может быть античастицей: вы меняете все заряды, но они равны нулю, а минус ноль — это то же самое, что ноль. Это большая тайна: существует ли такая частица, это правоспиральное нейтрино, которое не принимает участия в остальных взаимодействиях? Хотя нет, мы знаем, что оно существует: раз у него есть масса, то оно должно существовать. Но мы не знаем, действительно ли это античастица, приобретает ли она особую массу. Все выглядит так, как будто это особенная, необычная частица, которая не принимает участия ни в каких других взаимодействиях Стандартной модели. В том числе ее ученые ищут среди продуктов редких распадов — с их помощью мы сможем больше о них узнать и понять, действительно ли нейтрино является античастицей.