Неоткрытые миры

– Звучит как-то двусмысленно, – сказал Андрей, – Словно бог состоит только из бозонов Хиггса.

– Термин «божья частица» появился в заголовке книги нобелевского лауреата Леона Ледермана. Он сначала хотел назвать бозон Хиггса «чёртовой частицей», но редактор книги не согласился – и «чёртову» частицу переделали в «божью», тем более что в английском языке для этого просто нужно отрезать вторую половину слова.

– Как тонка оказалась грань между чёрным и белым! – хихикнула по-детски королева Никки, слушавшая сказку с таким же вниманием, как и дети.

– Эксперименты, полностью подтвердившие теорию кварков, сделали её Стандартной для элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий. В 2013 году за эту теорию Питеру Хиггсу и Франсуа Энглерту была присуждена Нобелевская премия.

Что говорит Стандартная теория об основных группах элементарных частиц?

Самым известным представителем группы лептонов является электрон. Два других лептона – мюон и частица тау – похожи по свойствам на электрон, только гораздо тяжелее его и нестабильны. Мюон тяжелее электрона в 207 раз, и живёт он всего две миллионных доли секунды.

– Так мало? – удивилась Галатея.

– Так много! – возразила Дзинтара. – Другие нестабильные элементарные частицы живут гораздо меньше. Среди нестабильных частиц дольше мюона живёт только свободный нейтрон. Мюоны рождаются при столкновении космических лучей с атмосферой, но за счёт своей длинной жизни, которая дополнительно продлевается из-за скорости частицы…

– Согласно теории относительности Эйнштейна, – отметил педантичный Андрей, состоящий частично из коричневых кубиков.

– …мюоны могут достигать поверхности Земли. То есть мы все живём в потоке мюонов, летящих сверху. Исследователи пробуют использовать этот поток для просвечивания египетских пирамид и поиска там пустот, в которых могут размещаться гробницы фараонов.

– Да, это лучше, чем лопатой махать! – согласилась Галатея.

– Частица тау живёт в миллионы раз меньше, чем мюон, зато тяжелее электрона в три с половиной тысячи раз. Этим трём лептонам соответствуют три вида нейтрино. Все они стабильны. Нестабильный мюон любит распадаться на электрон и два вида нейтрино – мюонное и электронное, а частица тау может распасться на мюон, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Группа из шести лептонов дополняется шестью соответствующими античастицами.

Вторая группа элементарных частиц, самая загадочная – кварки. Это те самые внутренние уплотнения, найденные в протоне.

– Найденные в результате жестокого обращения с элементарными частицами, – отметила Галатея.

– В свободном состоянии никто кварки не наблюдал, они могут существовать только связанными друг с другом.

– Какая дружба! – снова не удержалась от комментария Галатея.

– Как и лептонов, кварков тоже шесть плюс столько же антикварков. Шесть кварков называют так: «нижний», «верхний», «прелестный», «очарованный», «странный» и «истинный». Самый лёгкий – «верхний кварк», всего лишь в несколько раз превосходит электрон по массе, зато самый тяжёлый – «истинный кварк» – в сотни тысяч раз тяжелее электрона.

– «Истинный» и «очарованный»! – восхищённо повторила Галатея, – Я уверена, что состою только из самых прелестных кварков!

– Соединения кварков называются адронами. Адронов очень много, но самые известные из них – протон и нейтрон, каждый из которых состоит из трёх кварков. Мезоны – это тоже адроны, возникшие при соединении двух кварков, но могут существовать адроны из четырёх и пяти кварков. Если принять заряд электрона за единицу, то все кварки имеют электрические заряды 1/3 и 2/3, только разного знака. Так как в природе не наблюдается элементарных частиц с таким дробным зарядом, то кварки должны соединяться таким образом, чтобы итоговая частица имела целый заряд (как у электрона) или была нейтральна.

– Какая избирательная у них дружба… – задумалась Галатея. – Значит, два кварка с электрическим зарядом в 2/3 никогда не смогут соединиться? Как это грустно! Вдруг они нравятся друг другу?

– В многочисленных столкновениях частиц в ускорителях рождается множество новых частичек, и некоторые из них являются просто возбуждённым состоянием какого-нибудь адрона, например протона. Но какие бы экзотические частицы не возникали, электрический заряд всегда сохраняется: суммарный заряд множества частиц, возникших при соударении, точно равен заряду частиц, которые столкнулись. Это правило называется законом сохранения электрического заряда. Кроме электрического заряда, кварки имеют такую характеристику, как «цвет» – «красный», «зелёный» и «синий», – и тоже подчиняются своеобразным законам сохранения: например, протоны и нейтроны – это бесцветные частицы, которые должны быть образованы кварками трёх разных цветов, которые в сумме дают белый цвет.

– Неправильно, я наверняка состою из цветных протонов, – хмыкнула Галатея.

– Очень интересным классом элементарных частиц оказались кванты поля. Один из них – фотон, отвечающий за электромагнитные взаимодействия, хорошо изучен. Но во Вселенной известно четыре фундаментальных взаимодействия. Учёные очень давно пытались объединить их. Например, Эйнштейн всю вторую половину своей жизни стремился слить гравитацию и электромагнитные взаимодействия в рамках единой теории, но ему это не удалось. А ведь он ещё не трогал ядерные и слабые взаимодействия! Современные физики пошли иным путём, отставив в сторону гравитацию и пытаясь объединить три других взаимодействия. Этот путь оказался успешнее: в 1967 году Стивену Вайнбергу, Шелдону Глэшоу и Абдус Саламу удалось объединить электрические и слабые взаимодействия. Эта теория получила общее признание, когда все элементарные частицы, предсказанные ею, были открыты. В 1973 году в единую теорию были включены сильные взаимодействия. Эта единая теория трёх фундаментальных взаимодействий и стала основой Стандартной теории, согласно которой переносчиками слабого взаимодействия стали бозоны трёх типов, а за сильное взаимодействие стали отвечать глюоны – восемь нейтральных частиц, не имеющих массы, что сближает их с фотонами.

– Значит, можно создать глюонный фонарик? – спросила Галатея.

Дзинтара задумалась:

– Ну, кварк-глюонные струи удается получить, но вот насчёт фонарика – не знаю…

– Итак, – сказал Андрей, – у нас есть следующее число «атомов» Демокрита: двенадцать лептонов, двенадцать кварков и двенадцать квантов?

– Нет, добавь сюда ещё и бозон Хиггса, тяжёлую частицу, которая играет важную роль в образовании частиц, в частности отвечает за появление массы у бозонов. Хиггс придумал поле, которое действует на бозоны, как вода на плавающие на ней пушинки одуванчика: без воды невесомые пушинки беззаботно летят в любом направлении, а при взаимодействии с водой становятся медленными, инертными. А бозон Хиггса – это волна на поверхности поля Хиггса. Его масса была вычислена из сложных уравнений, и именно такая частица была найдена в 2012 году при экспериментах на Большом Адронном Коллайдере. Это стало завершающим штрихом в подтверждении Стандартной теории. Она доказала, что в мире существует Квантовая Лестница, которая описывает три уровня энергии: атомный, ядерный и кварковый.

– Что это за лестница? – полюбопытствовала Галатея.

– Вы знаете про квантовые уровни в атоме – они дают разный цвет фотонам, вылетающим из атома, и связаны с перестройкой его электронных оболочек.

Внутри ядра атома тоже есть своя структура квантовых уровней, которые экспериментаторы изучают по дискретной энергии вылетающих из ядра электронов при ядерных превращениях.

Оказалось, что в таких элементарных частицах, как протоны и нейтроны, тоже существуют квантовые уровни, которые видны по энергиям вылетающих оттуда мезонов.

– Ух ты, действительно, лестница, идущая внутрь вещества, – поняла Галатея.

– Давно было известно, что химические связи между атомами и молекулами оказываются остаточным явлением от электромагнитного взаимодействия электронов и атомного ядра. Сейчас стало понятно, что ядерные силы между нуклонами ядра, связанные с обменом пимезонами, являются слабым отголоском могучих сил, которые удерживают кварки внутри каждого нуклона и не дают им вылетать наружу.

– Ой, какая сложная сказка получается! – пожаловалась Галатея. – А ведь обещали историю про самые простые частицы нашего мира.

– Да, но никто не обещал, что это будет простая история. И в ней ещё масса нерешённых проблем. Насколько полна Стандартная теория? Да, она не включает в себя гравитационное взаимодействие. Но недостаток ли это? Есть ли у гравитационного взаимодействия свой квант – гравитон? Неизвестно. Многие уверены, что есть. Так же был уверен и Менделеев, который оставлял в своей таблице место для элемента эфира – среды, в которой распространяется свет. Как потом выяснилось, никакого эфира нет, а электромагнитные волны прекрасно распространяются в вакууме. Есть и другое мнение – что гравитационное поле – особенное. Оно не квантовое, но создается коллективным действием обычных квантовых полей.

Есть ли ещё более фундаментальная теория всего, которая объединяет и элементарные частицы, и гравитационное поле и делает это на более простой основе, чем Стандартная теория?

Когда было завершено построение Стандартной модели, объяснившей все известные элементарные частицы и правильно предсказавшей серию новых частичек и бозон Хиггса, то огромное количество теоретиков в области элементарных частиц оказалось на перепутье: что делать дальше? Часть квантовых теоретиков прорвалась вслед за Гусом в космологию, породив там обширное поле теории инфляции, где растёт множество экзотических цветов. Значительная часть квантовых физиков решила остаться в долине элементарных частиц и строить новую теорию элементарных частиц и квантовых полей, которая бы включала и гравитацию.

Если обычная квантовая механика рассматривает элементарную частицу как точечный объект с некоторыми свойствами, то теория струн рассматривает такие частицы как очень маленькие струны, которые могут колебаться, возбуждаться, объединяться и т. д. Это позволяет избежать проблемы перенормировки, свойственной точечным квантовым объектам…

– Что это за проблема пере…сортировки? – полюбопытствовала Галатея.

– Если представить электрон заряженным точечным объектом и попробовать вычислить энергию электрического поля, которое его окружает, то мы получим бесконечность – ведь напряжённость электрического поля обратно пропорциональна радиусу и стремится в бесконечность при уменьшении радиуса до нуля. Теоретикам удалось с помощью хитрых способов вычитания бесконечности из бесконечности получить правильные результаты, которые совпадают с экспериментом. Это хитрое вычитание называется перенормировкой, но физический смысл этой процедуры непонятен, как и непонятно, как быть с бесконечной энергией электрона? Видимо, где-то устремление радиуса электрона к нулю нужно останавливать, но где? Ричард Фейнман занимался этой проблемой.

Дух Фейнмана вступил в разговор:

– Швингер, Томонага и я независимо друг от друга придумали уловку, как проводить конкретные расчёты в случаях, когда получаются бесконечности. Мы получили за это Нобелевскую премию. Наконец-то люди смогли вычислять при помощи квантовой электродинамики!

– Что за уловка? – поинтересовался Андрей.

– Эта уловка имеет специальное название – «перенормировка». Но каким бы умным не было это слово, я бы назвал её дурацким приёмом! Необходимость прибегнуть к такому фокусу-покусу не позволила нам доказать математическую согласованность квантовой электродинамики. Я подозреваю, что перенормировка математически незаконна. Будущим физикам ещё предстоит разобраться в этой интригующей проблеме. Природа преподносит нам такие чудесные загадки! Почему она повторяет электрон частицами, массы которых в 206 и 3640 раз больше? Тайны, вроде этих повторяющихся циклов свойств частиц, делают работу физика-теоретика очень интересной. Я считаю совершенно неудовлетворительным, что не существует теории, адекватно объясняющей массы наблюдаемых частиц. Мы пользуемся этими числами во всех наших теориях, но не понимаем их: что они собой представляют или откуда они берутся. Я считаю, что с фундаментальной точки зрения это очень интересная и важная проблема.

Дзинтара сказала:

– Спасибо, мистер Фейнман, нам пора двигаться дальше.

Дух Фейнмана буркнул:

– Я профессор, а это означает, что я не способен вовремя остановиться.

Дзинтара улыбнулась.