К концу 60-х прошлого века на ускорителях было изучено множество процессов и открыто много десятков частиц, претендующих на статус элементарных. Попытки разобраться в огромном количестве опытных фактов привели начиная с середины 60-х годов почти к одновременному созданию релятивистских теорий электрослабого и ядерного (сильного) взаимодействий. Вторую из которых называют квантовой хромодинамикой.
По совокупности все эти теории привели к созданию Стандартной модели, включающей в себя таблицу фундаментальных частиц. При этом составляющие основную массу мира протоны и нейтроны оказались совсем не фундаментальными частицами.
Перед вами таблица частиц, объявленных Стандартной моделью не элементарными, а фундаментальными. Как видите, известных нам протона и нейтрона в ней нет. Они оказались составными частицами. Что же эта таблица говорит нам об устройстве мира?
В этой таблице четыре обозначенных разными цветами острова - кварки, лептоны, калибровочные бозоны и бозон Хиггса.
1. Кварки. Их 6 видов ("ароматов"). Они разделены на три "поколения" (три столбца). Все они имеют отличную от нуля массу покоя, которая в таблице указана в энергетических единицах (эв - электронвольт). Все они имею электрический заряд, кратный трети заряда электрона (от тоже указан в таблице). И все они фермионы со спином 1/2. Все они в экспериментах поодиночке не наблюдаются, но наблюдаются в связанных состояниях с другими кварками. Пока обнаружены связанные состояния с числом кварков от 2 до 5. При экспериментальном прощупывании кварков в их связанных состояниях они кажутся точечными в том смысле, что их размеры по крайней мере на три порядка меньше размера протона.
Кварки участвуют во всех типах взаимодействий - сильном, слабом, электромагнитном, гравитационном. Каждому кварку соответствует антикварк с аналогичными характеристиками. Простейшими составными 2х-кварковыми частицами являются мезоны, состоящие из комбинаций кварк-антикварк. Начиная с самых маломассивных π-мезонов. Уже в начале 21 века в экспериментах были обнаружены мезоноподобные частицы-тетракварки, состоящие из двух кварк-антикварковых пар.
Хорошо известные нам и принадлежащие к классу адронов протоны и нейтроны состоят из трех кварков первого поколения. Протон = uud, нейтрон = udd. К числу адронов принадлежат и гипероны, в коих обязательно есть кварки не только первого поколения. В последние годы появились сообщения об открытии пентакварков, состоящих из четырех кварков и одного антикварка.
2. Лептоны. Их тоже 6. Они тоже разделены на три поколения (столбца). Все они наблюдаются в экспериментах. Три из них имеют отличную от нуля массу покоя и электрический заряд как у электрона, а три (нейтрино) в теории не имеют ни электрического заряда, ни массы покоя (в таблице указаны экспериментальные ограничения на их массы сверху).
Мюон и тау-лептон есть фактически тяжелая и сверхтяжелая реинкарнации электрона. Поставлено немало опытов с атомами, в которых место электрона замещает мюон.
Загадочные нейтрино будут рассмотрены в следующем псто.
P.S. Ленин оказался не прав, утверждая, что "Электрон так же неисчерпаем, как и атом, ...". Ему надо было бы заменить слово электрон на слово протон. Тогда его слова стали бы пророческими. А реально стали философским трепом.
3. Калибровочные бозоны. Это - частицы-агенты взаимодействий. Их 4 типа. Глюон - агент сильного взаимодействия, фотон - электромагнитного, W и Z бозоны - слабого.
4. Бозон Хиггса. Специфическая частица, связанная с нарушением некоторых симметрий в микромире и, тем самым, влияющая на появление у них ненулевых масс покоя. Описание весьма сложного механизма такого его влияния выходит за рамки этого поста. Замечу лишь, что в одной из посвященных этому бозону зарубежных работ была написана отличная шутка: "Бозон Хиггса подобен коммунистической партии - он контролирует массы."
5. Физические и астрофизические следствия Стандартной модели.
а) Протон и нейтрон являются связанными состояниями 3-х кварков. Протон - uud, нейтрон - udd. Если мы просуммируем массы кварков в этих двух комбинациях, то увидим, что масса протона должна быть ~ 9,4 Мэв, а масса нейтрона ~ 11,9 Мэв. На самом деле масса протона ~ 938,3 Мэв, а масса нейтрона ~ 939,6 Мэв. Реальные массы основных частиц окружающего нас мира на два порядка больше суммы масс составляющих их кварков! Следовательно, основная масса Вселенной сидит в энергии поля сильного взаимодействия, склеивающего безмассовыми глюонами маломассивные кварки.
б) Все кварки и лептоны в Стандартной модели, а также протоны и нейтроны являются фермионами, имеющими спин = 1/2. Таким частицам принцип Паули запрещает садиться на один и тот же энергетический уровень более чем по двое (с противоположно направленными спинами). Из этого запрета следует, что сжатие любого коллектива фермионов до плотностей выше некоторых предельных принципиально невозможно. А отсюда следует, что никаких сингулярносте в реальной Вселенной не существовало и не будет существовать никогда.
6. Вопросы к Всевышнему.
Любая теория тем менее правдива, чем больше в ней свободных параметров. Свободных в том смысле, что они берутся из эксперимента (в лучшем случае) или "с потолка" (в худшем случае). В Стандартной модели все свободные параметры берутся из эксперимента (в том числе - массы частиц) и этих свободных параметров многовато. Поэтому возникают вопросы...
1. Зачем Всевышний придумал три поколения кварков и три поколения лептонов? Неужели не мог обойтись только одним поколением, вполне достаточным для создания всех фермионов, реально наблюдаемых во Вселенной - протона, нейтрона, электрона и электронного нейтрино?
2. Зачем Всевышний создал u и d кварки, а не напрямую протон и нейтрон? Пусть и взаимодействующие с помощью того же глюона.
P.S. Не исключаю, что нынешняя Стандартная модель - не последняя. В следующей может оказаться, что второе и третье поколения кварков и лептонов окажутся некоторым образом возбужденными состояниями частиц первого поколения. Когда это произойдет и произойдет ли, не знаю. Да и загадки нейтрино будут подталкивать Стандартную модель к эволюции.
P.P.S. Предыдущие стандартные модели:
Journal information