Закрученные пассажи

III Физика элементарных частиц Глава 7 Стандартная модель физики частиц: самая фундаментальная из всех известных структура материи

You’re never alone,

You’re never disconnected!

You’re home with your own;

When company’s expected, you’re well protected!

… When you’re a jet, you stay a jet!

Riff («West Side Story»)[77]

Из всех прочитанных Афиной сказок ее больше всего поразила сказка Ганса Христиана Андерсена «Принцесса на горошине». В сказке рассказывается о принце, который безуспешно пытался найти подходящую принцессу, на которой он мог бы жениться. После того как он несколько недель тщетно занимался поисками, случайно в его дворец попала настоящая принцесса, искавшая укрытия от непогоды. Таким образом, эта насквозь промокшая гостья, ничего не подозревая, подверглась проверке, придуманной Королевой-матерью для принцесс.

Королева приготовила постель, на которую навалила высокую кучу матрасов и стеганых одеял, в самом низу под матрас она положила одну горошину, вечером Королева проводила свою гостью в заботливо приготовленную спальню. На следующее утро девушка (а она была настоящая принцесса) пожаловалась, что совершенно не могла спать. Она всю ночь металась и крутилась, а наутро обнаружила, что вся в синяках. Всему причиной была мешавшая ей горошина. Королева и Принц убедились, что их гостья действительно королевской крови, так как кто еще мог быть такой нежной!

Афина много раз прокручивала в голове эту сказку. Ей казалось очень странным, что кто-то, пусть даже самая чувствительная из принцесс, способен обнаружить горошину, лежа спокойно на горе из матрасов. После многодневных размышлений Афина нашла подходящее объяснение и кинулась к брату, чтобы все ему рассказать.

Афина отвергла обычную интерпретацию, что принцесса якобы доказала свое королевское происхождение, продемонстрировав изнеженность и утонченность, когда почувствовала нечто столь маленькое, как горошина под грудой матрасов. Она предложила другое объяснение.

Афина предположила, что когда Королева вышла из спальни, оставив принцессу в одиночестве, та отбросила все внешние приличия и дала волю своей бурной молодой натуре. Прежде чем улечься и попытаться заснуть, принцесса стала бегать по комнате и до изнеможения прыгать на кровати. Во время своих буйств принцесса сплющивала матрасы так, что на короткое время горошина выпирала сквозь них, образуя болезненный выступ, который и приводил к небольшому синяку. Афина не отрицала, что принцесса все же была довольно чувствительной, но полагала, что ее ревизионистская интерпретация намного лучше.

Обнаружение субструктуры внутри атома было столь же впечатляющим достижением, как и обнаружение горошины принцессой. Частицы, называемые кварками и являющиеся строительными блоками, из которых состоит протон, занимают примерно ту же долю объема протона, как и горошина в матрасе. Горошина объемом 1 см³ занимает одну миллионную долю матраса объемом 2 м х 1 м х 0,5 м, что не слишком отличается от доли объема, которую кварк занимает в протоне. Тот способ, которым физики обнаружили кварки, напоминает открытие буйной принцессы. Пассивная принцесса никогда бы не обнаружила горошину, погребенную под кучей слоев. Аналогично, физики не могли обнаружить кварки до тех пор, пока они не запустили в протон энергичными частицами, которые могли исследовать его внутренности.

В этой главе вы совершите скачок в Стандартную модель физики частиц — ту теорию, которая описывает известные элементарные составляющие материи и действующие между ними силы[78]. Стандартная модель, представляющая кульминацию многих удивительных и волнующих открытий является достижением огромной важности. Вам не требуется запоминать все детали, позднее я повторю названия всех существующих в природе частиц и природу их взаимодействий. Но Стандартная модель лежит в основе многих экзотических многомерных теорий, которые я опишу ниже, и когда вы познакомитесь с современными достижениями, знакомство со Стандартной моделью и ее ключевыми идеями приведет к более глубокому пониманию фундаментальной структуры материи и тех взглядов на мир, которых придерживаются физики в наши дни.

Когда Владимир Ильич Ленин в философском труде «Материализм и эмпириокритицизм», используя в качестве метафоры электрон, писал, что «электрон… неисчерпаем», он имел в виду уровни теоретических идей и способ их интерпретации. Действительно, сейчас мы понимаем электрон совершенно не так, как это было в начале двадцатого века, до того, как квантовая механика перевернула наше понимание.

Но с точки зрения физики верно как раз противоположное утверждение: электрон исчерпаем. Насколько мы сейчас знаем, электрон является фундаментальным и неделимым. Для физика-частичника электрон не обладает «неисчерпаемой» структурой, а является простейшей частицей, которую описывает Стандартная модель. Электрон стабилен и не содержит внутри себя составных частей, так что мы можем полностью описать его, перечислив только несколько свойств, включая массу и заряд. (Чешский антикоммунист и специалист в области теории струн Любош Мотль насмешливо заметил, что это не единственное различие между его взглядами и взглядами Ленина.)

Электрон движется к положительно заряженному аноду батареи. Движущийся электрон реагирует на магнитную силу: когда электрон движется сквозь магнитное поле, его траектория искривляется. Оба эти явления есть результат наличия у электрона отрицательного заряда, благодаря которому электрон отзывается на электрические и магнитные силы.

До 1800-х годов все полагали, что электричество и магнетизм представляют собой совершенно разные силы. Однако в 1818 году датский физик и философ Ханс Эрстед обнаружил, что ток движущихся зарядов порождает магнитное поле. Из этого наблюдения он вывел, что должна существовать единая теория, описывающая как электричество, так и магнетизм: эти две силы должны быть двумя сторонами одной медали. Когда стрелка компаса реагирует на вспышку молнии, это явление подтверждает вывод Эрстеда.

Используемая и в наши дни классическая теория электромагнетизма была развита в XIX веке, опираясь на наблюдения о связи электричества и магнетизма. Критичным для этой теории явилось понятие поля. Поле — это название, данное физиками любой величине, пронизывающей все пространство. Например, значение гравитационного поля в любой точке пространства указывает нам, насколько сильно в этой точке проявляется тяготение. То же самое верно для поля любого типа: значение поля в каждом месте определяет, насколько интенсивно поле в этом месте.

В середине XIX века английский химик и физик Майкл Фарадей ввел понятия электрического и магнитного полей[79], и эти понятия сохранились в физике до наших дней. Заметим, что в четырнадцать лет Фарадей должен был временно прервать обучение в школе, чтобы помочь содержать семью. Поэтому вызывает восхищение тот факт, что ему удалось выполнить физические исследования столь революционного содержания. К счастью для Фарадея (и для истории физики) он был отдан в ученики к переплетчику, который поощрял его к чтению книг, над которыми работал, что позволяло Фарадею заниматься самообразованием.

Идея Фарадея состояла в том, что заряды создают электрические или магнитные поля всюду в пространстве, а эти поля, в свою очередь, действуют на другие заряды, независимо от того, где они находятся. Однако величина влияния электрических и магнитных полей на заряженные тела зависит от их местоположения. Поле оказывает наибольшее влияние на заряды в тех местах, где его величина максимальна, и наименьшее влияние там, где его величина минимальна.

Вы можете воочию убедиться в существовании магнитного поля, рассыпав железные опилки вблизи от постоянного магнита. Опилки соберутся в структуры в соответствии с напряженностью и направлением поля. Вы можете также изучать поле, удерживая два магнита близко друг от друга. Вы ощутите их взаимное притяжение или отталкивание задолго до того, как магниты соприкоснутся. Каждый магнит отзывается на поле, пронизывающее пространство между ними.

Вездесущность электрических полей окончательно дошла до меня в тот день, когда я завершала восхождение на гребень горы вблизи Боулдера (штат Колорадо) со спутником, который был новичком в этом деле, но имел значительный опыт пеших походов. Приближалась электрическая буря, я не хотела, чтобы мой спутник нервничал, поэтому попросила его двигаться побыстрее, не сказав, что связывающий нас трос потрескивает, а волосы моего спутника стоят дыбом. Когда мы благополучно спустились вниз и стали с удовольствием вспоминать наше путешествие, которое было в основном было приятным, мой спутник сказал, что он, конечно, понимал, что мы находимся в опасности: было видно, что мои волосы тоже стояли дыбом! Электрическое поле было не только в одном месте, оно было везде вокруг нас.

До XIX века никто не описывал электричество и магнетизм, пользуясь понятием поля. Для описания электрических и магнитных сил ученые обычно использовали понятие действия на расстоянии. Вероятно, в школе вам встречался термин действие на расстоянии для описания того, каким образом электрически заряженное тело мгновенно притягивается или отталкивается от любого другого заряда независимо от того, где он находится[80]. Это не кажется странным, так как именно к этому мы привыкли. Однако представляется невероятным, если нечто, находящееся в одном месте, могло бы мгновенно повлиять на другое тело, находящееся на некотором расстоянии. Каким образом передается информация о явлении?

Хотя может показаться, что речь идет всего лишь о терминологии, на самом деле имеется громадное концептуальное различие между полем и действием на расстоянии. Согласно полевой интерпретации электромагнетизма, заряд не оказывает мгновенного воздействия на другие области пространства. Нужно время на перестройку поля. Движущийся заряд создает в непосредственной близости от себя поле, которое проникает (хотя и очень быстро) во все области пространства. Тела узнают о движении удаленного заряда только после того, как свет (представляющий комбинацию электрических и магнитных полей) сумеет до них добраться. Таким образом, электрические и магнитные поля изменяются не быстрее, чем позволяет конечная скорость света. В каждой данной точке пространства поле настраивается только после того, как пройдет достаточное время, необходимое для того, чтобы влияние удаленного заряда достигло данной точки.

Однако, несмотря на огромную важность введенных Фарадеем понятий электромагнитных полей, они все же были больше эвристическими, чем математическими. Возможно, из-за обрывочного образования, математика не была любимым коньком Фарадея. Но другой английский физик, Джеймс Клерк Максвелл, включил идею Фарадея о поле в уравнения классической теории электромагнетизма. Максвелл был выдающимся ученым, в круг многочисленных интересов которого входили оптика и учение о цвете, математика овалов, термодинамика, кольца Сатурна, измерение широты с помощью чашки с патокой и вопрос о том, почему кошки приземляются на лапы, сохраняя угловой момент, хотя их бросают вверх тормашками[81].

Самым важным вкладом Максвелла в физику была система уравнений описывающих то, каким образом можно узнать значения электрического и магнитного полей, зная распределение зарядов и токов². Из этих уравнений он вывел существование электромагнитных волн, т. е. волн всех видов электромагнитного излучения, существующих в вашем компьютере, телевизоре, микроволновой печи и во многих других удобных устройствах современного мира.

Однако Максвелл совершил одну ошибку. Как все другие физики его времени, он воспринял идею поля слишком материально. Он предполагал, что поле возникает благодаря колебаниям эфира, т. е. придерживался той идеи, которую, как мы увидим далее, окончательно развенчал Эйнштейн. Тем не менее Эйнштейн связывал имя Максвелла с происхождением специальной теории относительности: электромагнитная теория Максвелла позволила Эйнштейну понять идею о постоянстве скорости света, вызвавшую к жизни его монументальный труд.

Классическая электромагнитная теория Максвелла привела к большому числу успешных предсказаний, но она была создана до квантовой механики и поэтому, очевидно, не включала квантовых эффектов. В наши дни физики изучают электромагнитное взаимодействие в рамках физики частиц. Основанная на ней теория электромагнетизма включает не только хорошо изученные и хорошо проверенные предсказания классической теории Максвелла, но и предсказания квантовой механики. Поэтому она является более полной и более точной теорией электромагнетизма, чем ее классическая предшественница. Действительно, квантовая теория электромагнетизма позволила получить невероятно точные предсказания, проверенные с неслыханной точностью в одну миллиардную долю[82].

Квантовая теория электромагнетизма объясняет электромагнитное взаимодействие обменом частицей по имени фотон — квантом света, который мы рассматривали в предыдущей главе. Происходит это следующим образом: начальный электрон испускает фотон, который подлетает к другому электрону, передает ему электромагнитное воздействие и затем исчезает. Благодаря такому обмену фотоны передают или переносят электромагнитную силу. Они производят такой же эффект, как конфиденциальные письма, которые передают информацию от одного адресата к другому, но после этого немедленно уничтожаются.

Мы знаем, что электрическая сила может иногда быть притягивающей, а иногда — отталкивающей: в случае притяжения взаимодействуют противоположно заряженные тела, в случае отталкивания заряды тел имеют одинаковый знак, положительный или отрицательный. Силу отталкивания, передаваемую фотоном, можно представить себе как взаимодействие между двумя конькобежцами, которые попеременно бросают друг другу шар для боулинга. Каждый раз, как один из конькобежцев ловит шар, он немного скользит по льду в сторону от своего партнера. С другой стороны, возникновение сил притяжения напоминает двух новичков, бросающих друг другу «фрисби» [83]; в противоположность конькобежцам, удаляющимся все дальше друг от друга, начинающие игроки в фрисби будут с каждым удачным броском приближаться друг к другу.

Фотон — это первый пример калибровочного бозона, фундаментальной элементарной частицы, ответственной за перенос конкретного взаимодействия. (Слово «калибровочный» звучит страшнее, чем оно есть на самом деле; физики начали использовать его в конце 1800-х годов, благодаря отдаленной аналогии с калибровкой железнодорожной колеи для определения расстояния между рельсами. Сто лет назад сам термин был намного известнее.) Другими примерами калибровочных бозонов являются слабые бозоны и глюоны. Эти частицы являются переносчиками слабых и сильных взаимодействий соответственно.

В период между концом 1920-х и 1940-ми годами английский физик Поль Дирак, американцы Ричард Фейнман и Юлиан Швингер, а также Син-Итиро Томонага, работавший независимо в послевоенной Японии, разработали квантово-механическую теорию фотона. Созданную ими область квантовой теории они назвали квантовой электродинамикой (КЭД). Эта область науки включает все предсказания классической теории электромагнетизма, а также вклад частиц (квантов) в физические процессы, т. е. взаимодействия, порождаемые обменом или рождением квантовых частиц.

КЭД предсказывает, как обмен фотоном порождает электромагнитное взаимодействие. Например, в процессе, изображенном на рис. 47, два электрона влетают в область взаимодействия, обмениваются фотоном, а затем возникают в конечном состоянии (например, с конечной скоростью и направлением движения) за счет влияния сообщенной им электромагнитной силы. Теория поля сопоставляет каждому элементу диаграммы определенные числа, так что саму диаграмму можно использовать для количественных предсказаний. Эта картинка является примером диаграммы Фейнмана, названной так в честь Ричарда Фейнмана, и представляет собой графический способ описания взаимодействий в квантовой теории поля. (Фейнман был так горд этой выдумкой, что нарисовал некоторые диаграммы на своем фургоне.)

Однако не все процессы КЭД включают фотоны, которые уничтожаются. Кроме эфемерных промежуточных или внутренних частиц[84], как те фотоны, что определяют электромагнитные взаимодействия и которые рождаются и почти сразу же уничтожаются, имеются и реальные внешние фотоны — частицы, входящие в область взаимодействия или покидающие ее. Иногда такие частицы отклоняются, иногда превращаются в другие частицы. В любом случае, частицы, которые входят в область взаимодействия или покидают ее, являются реальными физическими частицами.

Квантовая теория поля — инструмент, с помощью которого мы изучаем частицы[85], — основана на вечных и вездесущих объектах, которые способны порождать и уничтожать эти частицы. Такими объектами являются «поля» квантовой теории поля. Подобно классическим электромагнитным полям, квантовые поля — это объекты, заполняющие пространство-время. Но квантовые поля играют и другую роль. Они порождают или поглощают элементарные частицы. Согласно квантовой теории поля, частицы могут рождаться или уничтожаться где угодно и в любое время.

Например, электрон или фотон могут возникать или исчезать где угодно в пространстве. Квантовые процессы разрешают числу заряженных частиц во Вселенной изменяться за счет рождения и уничтожения частиц. Каждая частица рождается или уничтожается своим собственным полем. В квантовой теории поля не только электромагнетизм, но все силы и взаимодействия описываются с помощью полей, которые могут создавать новые или уничтожать уже существующие частицы.

Согласно квантовой теории частицы можно рассматривать как возбуждения квантового поля. В то время как вакуум, состояние без частиц, содержит только постоянные поля, состояния с частицами содержат поля с выпуклостями и изгибами, соответствующими частице. Когда в поле появляется выпуклость, рождается частица, когда поле поглощает эту выпуклость, чтобы вновь стать постоянным, частица уничтожается.

Поля, порождающие электроны и фотоны, должны существовать везде, чтобы гарантировать, что все взаимодействия могут происходить в любой точке пространства-времени. Это существенный момент, так как взаимодействия локальны, что означает, что во взаимодействии могут участвовать только частицы, находящиеся в одном месте. Действие на расстоянии скорее напоминает волшебство. Но частицы не обладают экстрасенсорным восприятием — чтобы взаимодействовать, им нужно быть в непосредственном контакте.

Электромагнитные взаимодействия могут происходить и между удаленными зарядами, не находящимися в прямом контакте, однако только благодаря содействию фотона или некоторых других частиц, имеющих непосредственный контакт с обеими взаимодействующими заряженными частицами. В этом случае кажется, что заряды действуют друг на друга мгновенно, но такое впечатление создается только потому, что скорость света столь велика. На самом деле взаимодействие происходит за счет локальных процессов; фотон совмещается сначала с одной из заряженных частиц, а затем с другой. Поэтому поле должно родить и уничтожить фотон точно в тех местах, где находятся заряженные частицы.

Квантовая теория поля указывает также, что у каждой частицы должен существовать двойник, известный как античастица. Том Стоппард в пьесе «Хэпгуд» говорит об античастицах: «Когда частица встречается с античастицей, они уничтожают друг друга, они превращаются во взрыв энергии, понимаешь?» Любой любитель научной фантастики знает об античастицах. Из них сделано оружие для уничтожения Вселенной, они являются топливом для кораблей в сериале «Звездный путь. Военный корабль „Энтерпрайз“»[86]

Хотя эти приложения выдуманы, сами античастицы вполне реальны. Они действительно входят составной частью в картину физики частиц. В теории поля и Стандартной модели античастицы так же существенны, как и частицы. На самом деле античастицы — это те же частицы, за исключением того, что все их заряды имеют противоположные знаки.

Античастицы впервые ввел Поль Дирак, развивая квантовую теорию поля, описывающую электрон. Он нашел, что квантовая теория, совместная как с квантовой механикой, так и со специальной теорией относительности, с необходимостью включает античастицы. Он не вводил их в теорию сознательно. Когда Дирак учел специальную теорию относительности, получившаяся теория сама выплюнула античастицы. Их существование есть необходимое следствие релятивистской квантовой теории поля.

Приведем грубое доказательство того, почему наличие античастиц является следствием специальной теории относительности. Заряженные частицы могут двигаться в пространстве вперед и назад. Согласно специальной теории относительности, такие частицы должны быть способны с таким же успехом путешествовать вперед и назад по времени. Однако, насколько мы знаем, ни частицы, ни что-либо еще, в существовании чего мы уверены, не могут на самом деле путешествовать назад по времени. Вместо этого движущиеся назад по времени частицы заменяются противоположно заряженными античастицами. Античастицы воспроизводят эффекты, которые случились бы с путешествующими назад по времени частицами, так что даже без последних предсказания квантовой теории поля совместимы со специальной теорией относительности.

Представим себе кинофильм, в котором заснят ток отрицательно заряженных электронов, распространяющихся из одной точки в другую. Затем вообразим, что кинофильм прокручивается назад. Отрицательный заряд в этом случае будет двигаться назад, или, эквивалентно (до тех пор, пока рассматривается заряд), положительный заряд будет двигаться вперед. Этот положительно заряженный распространяющийся вперед ток создается током позитронов, положительно заряженных античастиц электронов, который поэтому действует как обращенный во времени ток электронов.

Квантовая теория поля утверждает, что если существует некая заряженная частица, например, электрон, то должна существовать соответствующая античастица с противоположным зарядом. Например, так как электрон обладает зарядом -1, позитрон обладает зарядом +1. Античастица похожа на частицу во всех отношениях, кроме заряда. Заряд протона также равен +1, но сам протон в 2000 раз тяжелее электрона, и поэтому он не может быть его античастицей.

Как правильно говорит Стоппард, когда античастицы входят во взаимодействие с частицами, они действительно аннигилируют. Так как сумма зарядов частицы и ее античастицы всегда равна нулю, то они могут аннигилировать и взаимно уничтожиться. Суммарный заряд частицы и античастицы равен нулю, и из соотношения Эйнштейна E = mc² следует, что вся масса может превратиться в энергию.

С другой стороны, энергия может превратиться в пару частица — античастица, если количество энергии достаточно для такого превращения. Как аннигиляция, так и рождение частиц происходят в ускорителях частиц больших энергий, на которых физики проводят эксперименты по изучению тяжелых частиц, масса которых слишком велика, чтобы обнаруживаться в обычном веществе. В таких коллайдерах частица и античастица сталкиваются друг с другом и аннигилируют, создавая вспышку энергии, из которой возникают новые пары частиц и античастиц.

Так как вещество, в частности атомы, состоит из частиц, а не античастиц, то можно утверждать, что такие античастицы, как позитрон, в природе не встречаются. Однако они могут быть созданы на короткое время на коллайдерах, в горячих областях Вселенной, и даже в больницах, где для выявления признаков рака используются позитронные эмиссионные томографы.

Джерри Габриэлзе, мой коллега по физическому факультету Гарварда, непрерывно занимается производством античастиц в подвале здания Джефферсоновской лаборатории, где я работаю. Благодаря исследованиям Джерри и других физиков, мы с высокой степенью точности знаем, что античастицы действительно идеально похожи на своих двойников частиц по массе и гравитационному притяжению, но имеют противоположный заряд. Однако количество этих античастиц очень мало и не может причинить никакого беспокойства. Могу заверить любителей научной фантастики, что эти античастицы причиняют зданию намного меньше повреждений, чем постоянные работы по строительству новых лабораторий и офисов, всегда сопровождающиеся большим количеством видимых и слышимых разрушений.

Электроны, позитроны и фотоны — это простейшие и наиболее доступные частицы. Не случайно электрические силы и электроны были первыми ингредиентами Стандартной модели, которые сумели понять физики. Однако электрон, позитрон и фотон не исчерпывают список известных частиц, а электромагнетизм — не единственное известное взаимодействие.

На рис. 32 и 33 (стр. 77) я привела список известных частиц и негравитационных взаимодействий[87]. Я изъяла из списка гравитационное взаимодействие, так как оно качественно отличается от других взаимодействий и должно рассматриваться отдельно. Несмотря на прозаические имена двух из этих взаимодействий — слабое и сильное, они обладают множеством интересных свойств. В следующих двух разделах мы увидим, что это за свойства.

Несмотря на то что в повседневной жизни вы не замечаете слабого взаимодействия, потому что оно действительно слабо, это взаимодействие существенно для многих ядерных процессов. Слабое взаимодействие объясняет некоторые типы распада ядер, например, распад ядра калия-40 (К⁴⁰) (обнаружен на Земле, распад достаточно медленный, в среднем один миллиард лет[88], так что за счет этого распада продолжает разогреваться сердцевина Земли), и, конечно, распад самого нейтрона. Благодаря ядерным процессам меняется структура ядер и число нейтронов в них, что приводит к высвобождению большого количества энергии. Эту энергию можно использовать в ядерных электростанциях или ядерных бомбах, а также в других целях.

Например, слабое взаимодействие играет важную роль в создании тяжелых элементов, образующихся во время катастрофических взрывов сверхновых. Слабое взаимодействие существенно также для свечения звезд, в том числе Солнца. Оно запускает цепочку реакций, в которых водород превращается в гелий. Приводимые в действие слабым взаимодействием ядерные процессы приводят к непрерывному изменению состава Вселенной. Из наших знаний ядерной физики можно вывести, что примерно 10 % первичного водорода во Вселенной было использовано в качестве ядерного топлива в звездах. (К счастью, оставшиеся 90 % водорода гарантируют, что Вселенной не придется в ближайшее время зависеть от посторонних источников энергии.)

Несмотря на важность слабого взаимодействия, ученые лишь сравнительно недавно определили его свойства. В 1862 году Уильям Томсон (позднее лорд Кельвин[89]), один из самых уважаемых физиков того времени, чрезвычайно недооценил возраст Солнца и Земли, так как он не знал о ядерных процессах, происходящих за счет слабого взаимодействия (которое, надо отдать ему должное, не было еще тогда открыто). У. Томсон основывал свою оценку на единственном известном источнике светимости — нагреве. Он вывел, что доступная за счет этого энергия способна поддерживать свечение Солнца не более 30 миллионов лет.

Этот результат не понравился Чарльзу Дарвину. Он получил намного более близкий к правильному минимальный возраст Земли, оценив промежуток времени, требуемый для эрозии и вымывания долины Вельда на юге Англии. Дарвиновская оценка в 300 миллионов лет была тем более привлекательной, что она оставляла достаточно времени для естественного отбора, который мог бы обеспечить большое разнообразие найденных на Земле видов.

Однако все, включая самого Дарвина, сочли, что Томсон, физик блистательной репутации, был прав. Дарвин был настолько убежден в правильности вычислений Томсона и в его репутации, что изъял собственные оценки времени из последующих изданий своей книги Происхождение видов. Только после того, как Резерфорд открыл важную роль радиации[90], дарвиновская идея о большем возрасте Земли было реабилитирована, и теперь установлено, что возраст Земли и Солнца равен 4,5 миллиарда лет, что намного больше оценок Томсона и Дарвина.

В 1960 годах американские физики Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг, а также пакистанский физик Абдус Салам, работая независимо друг от друга (и не всегда согласованно), разработали электрослабую теорию, которая объясняет слабые взаимодействия и проливает свет на происхождение электромагнетизма[91]. Согласно электрослабой теории, эффекты слабого взаимодействия порождаются обменом частицами, называемыми слабыми калибровочными бозонами, по аналогии с тем, как электромагнитное взаимодействие обусловлено обменом фотонами. Имеются три слабых калибровочных бозона. Два из них, W⁺ и W^-, обладают электрическим зарядом (W происходит от слова weak, т. е. слабый, а знаки «+» или «-» указывают на знак электрического заряда калибровочного бозона). Третий бозон Z нейтрален (название происходит от слова zero, т. е. ноль).

Как и в случае обмена фотонами, обмен слабыми калибровочными бозонами порождает силы, которые могут быть силами притяжения или отталкивания, в зависимости от слабых зарядов частиц. Слабые заряды — это числа, играющие ту же роль для слабого взаимодействия, которую играет электрический заряд для электромагнитного взаимодействия. Слабое взаимодействие испытывают только частицы, обладающие слабым зарядом, причем их конкретный заряд определяет интенсивность и тип испытываемого ими взаимодействия.

Однако есть несколько важных различий между электромагнитным и слабым взаимодействиями. Одно из самых удивительных — это то, что слабое взаимодействие отличает левое от правого, или, как сказали бы физики, нарушает четность. Нарушение четности означает, что зеркальные образы частиц ведут себя различно по отношению друг к другу. Китайско-американские физики Ч. Н. Янг и Т. Д. Ли в 1950-х годах сформулировали теорию нарушения четности, а другой китайско-американский физик Ц. С. Ву подтвердила ее экспериментально в 1957 году. В том же году Янг и Ли получили Нобелевскую премию по физике. Любопытно, что Ву, единственная женщина, сыгравшая роль в развитии обсуждаемой нами Стандартной модели, не получила Нобелевской премии за свое важное открытие.

Некоторые нарушения зеркальной симметрии должны быть знакомы читателю. Например, ваше сердце находится в левой стороне тела. Но если бы эволюция протекала иначе и люди в конце концов имели бы сердце справа, можно было бы ожидать, что все его свойства были бы такими же, как мы наблюдаем сейчас. Тот факт, что сердце находится с одной стороны, а не с другой, никак не влияет на любые фундаментальные биологические процессы.

В течение многих лет вплоть до эксперимента Ву в 1957 году считалось «очевидным», что физические законы (хотя не обязательно физические тела) не могут предпочитать правое левому или наоборот. Действительно, а почему они должны предпочитать одно другому? Совершенно определенно известно, что тяготение и электромагнетизм, как и многие другие взаимодействия, не отличают левое от правого. Тем не менее слабое взаимодействие, являющееся фундаментальным взаимодействием в природе, отличает левое от правого. Как это ни удивительно, слабое взаимодействие нарушает зеркальную симметрию.

Как может взаимодействие предпочитать правое левому или наоборот? Ответ связан с понятием внутреннего спина фермионов. По аналогии с тем, что конструкция винта предусматривает, что при завинчивании он вращается по часовой стрелке, а не против часовой стрелки, так и у частиц может быть встроенная правая или левая спиральность, указывающая направление их вращения (по отношению к направлению их импульса) (рис. 48). Многие частицы, например электрон и протон, могут вращаться в одном из двух направлений — либо налево, либо направо. Слово киральность, происходящее от греческого слова χειρ, т. е. рука, относится к двум возможным направлениям вращения. Частицы могут быть левокиральными или правокиральными, как пальцы на ваших руках, которые на одной руке расположены справа налево, а на другой слева направо[92].

Слабое взаимодействие нарушает зеркальную симметрию, действуя по-разному на левокиральные и правокиральные частицы, которые в физике принято называть просто левыми и правыми. Оказывается, что только левые частицы участвуют в слабых взаимодействиях. Например, левый электрон будет испытывать слабое взаимодействие, а электрон, вращающийся направо, — не будет. Эксперименты ясно показывают, что мир устроен именно так, но нет интуитивного механического объяснения, почему так должно быть.

Вообразите силу, которая может действовать только на вашу левую руку, но не на правую! Я только и могу сказать, что нарушение четности — поразительное, но хорошо установленное свойство слабых взаимодействий. Это одно из самых интригующих свойств Стандартной модели. Например, электроны, испускающиеся при распадах нейтронов, всегда левые. Слабые взаимодействия нарушают зеркальную симметрию, так что когда я перечисляю полный список элементарных частиц и возможных для них взаимодействий (рис. 52 на стр. 145), я должна отдельно указывать левые и правые частицы.

Нарушение четности, само по себе странное, является не единственным новым свойством слабых взаимодействий. Второе, в равной степени важное свойство заключается в том, что слабое взаимодействие может реально превращать частицу одного типа в частицу другого типа (сохраняя, тем не менее, полный электрический заряд). Например, когда нейтрон взаимодействует со слабым калибровочным бозоном, может возникнуть протон (рис. 49). Это сильно отличается от взаимодействия фотона, который никогда не сможет изменить полное число заряженных частиц любого конкретного типа (т. е. число частиц минус число античастиц), например, число электронов минус число позитронов. (Для сравнения, на рис. 50 показан фотон, взаимодействующий с электроном, который входит в область взаимодействия и покидает ее, а также схематическая диаграмма того типа, что мы использовали ранее.) Именно взаимодействие заряженного калибровочного бозона с нейтроном и протоном позволяет изолированному нейтрону распадаться, превращаясь в совершенно другие частицы.

Однако, поскольку нейтрон и протон имеют разные массы и несут разные заряды, нейтрон должен при распаде породить протон и другие частицы так, чтобы при этом сохранялись заряд, энергия и импульс. Оказывается, что при распаде нейтрона образуется не только протон, но также рождаются электрон и частица, называемая нейтрино[93]. Такой процесс, показанный на рис. 51, называется бета-распадом.

Когда бета-распад был впервые зарегистрирован, никто ничего не знал о нейтрино, которое участвует только в слабых взаимодействиях, но не в электромагнитных. В то же время детекторы частиц могут обнаружить только заряженные частицы или те частицы, которые выделяют энергию. Так как нейтрино не имеет электрического заряда и не распадается, оно остается невидимым для детекторов, так что никто не знал о его существовании.

Однако без нейтрино бета-распад выглядел так, как будто в нем не сохранялась энергия. Закон сохранения энергии является фундаментальным принципом всей физики. Он утверждает, что энергия не может ни возникать, ни уничтожаться, а может только переноситься из одного места в другое. Предположение о том, что в бета-распаде не сохраняется энергия, было возмутительным, однако многие уважаемые физики[94], не имевшие представления о существовании нейтрино, были готовы согласиться с таким радикальным (и ошибочным) утверждением.

В 1930 году Вольфганг Паули предложил путь к научному спасению скептиков, который он сам назвал «отчаянной попыткой» — он предположил существование новой электрически нейтральной частицы[95]. Идея Паули состояла в том, что нейтрино тайком крадет часть энергии, выделяющейся при распаде нейтрона. Тремя годами спустя Энрико Ферми дал солидное теоретическое обоснование существования «маленькой» нейтральной частицы, которую он назвал нейтрино[96]. Тем не менее гипотеза о существовании нейтрино представлялась в те времена настолько сомнительным выходом из положения, что ведущий научный журнал Nature отклонил статью Ферми, так как «она содержала размышления, слишком далекие от интересов читателя».

Однако идеи Паули и Ферми были правильными, и в наши дни физики полностью согласны с существованием нейтрино[97]. На самом деле, мы знаем сейчас, что нас непрерывно пронизывают потоки нейтрино, рождающихся вместе с фотонами в ядерных реакциях на Солнце. Ежесекундно сквозь нас проходят триллионы солнечных нейтрино, но их взаимодействия столь слабы, что мы этого никогда не замечаем. Те нейтрино, в существовании которых мы твердо уверены, являются левыми; правые нейтрино либо не существуют, либо очень тяжелы, слишком тяжелы для того, чтобы рождаться, либо взаимодействуют очень слабо. Какая бы из гипотез ни оказалась правильной, правые нейтрино никогда не рождались на ускорителях, и мы их никогда не видели. Поскольку мы значительно более уверены в существовании левых, а не правых нейтрино, я показала на рис. 52, где приведены отдельно левые и правые частицы, только левые нейтрино.

Итак, мы знаем теперь, что слабые взаимодействия действуют только на левые частицы и могут менять тип частиц. Однако, чтобы по-настоящему понять слабые взаимодействия, нам нужна теория, предсказывающая взаимодействия слабых калибровочных бозонов, являющихся переносчиками слабых сил. Физики сразу же поняли, что построить такую теорию не так-то легко. Им потребовалось совершить ряд важных теоретических открытий, прежде чем действительно понять слабое взаимодействие и его следствия.

В конечном итоге проблема состояла в странном свойстве слабого взаимодействия — оно резко спадало на очень малом расстоянии 10^-18 м. В этом оно полностью отличается от гравитации или электромагнетизма, для которых, как мы видели в гл. 2, напряженность поля уменьшается с расстоянием обратно пропорционально квадрату расстояния. Хотя при увеличении расстояния гравитация и электромагнетизм становятся все слабее, их интенсивность не спадает так же быстро, как слабое взаимодействие. Фотон переносит электромагнитное взаимодействие на большие расстояния. Почему слабое взаимодействие ведет себя совершенно иначе?

Было очевидно, что для объяснения ядерных процессов типа бета-распада физики должны найти новый тип взаимодействия, но было неясно, каким может быть это взаимодействие. До того, как Глэшоу, Вайнберг и Салам построили свою теорию слабого взаимодействия, Ферми попытался предложить теорию, включавшую новые типы взаимодействия четырех частиц, например, протона, нейтрона, электрона и нейтрино. Это взаимодействие Ферми непосредственно порождало бета-распад без обращения к промежуточному слабому калибровочному бозону. Иными словами, взаимодействие позволяло нейтрону непосредственно превращаться в свои продукты распада — протон, электрон и нейтрино.

Однако даже в то время было ясно, что теория Ферми не может быть правильной теорией, применимой при всех энергиях. Хотя при низких энергиях ее предсказания были правильными, при высоких энергиях они становились полностью неверными, приводя к слишком сильным взаимодействиям. Если предположить (что неверно), что теория Ферми применима к частицам большой энергии, то мы придем к бессмысленным предсказаниям вроде того, что частицы должны взаимодействовать с вероятностью больше единицы. Это невозможно, так как ничто не может случаться чаще, чем всегда.

Хотя теория, основанная на взаимодействии Ферми, была прекрасной эффективной теорией для объяснения взаимодействий при низких энергиях и между достаточно удаленными частицами, физики видели, что им нужно более фундаментальное объяснение процессов типа бета-распада, если они хотят знать, что происходит при высоких энергиях. Казалось, что теория, основанная на передаче взаимодействий слабыми калибровочными бозонами, должна намного лучше работать при высоких энергиях, однако никто не знал, как учесть короткодействующий характер слабого взаимодействия.

Малый радиус оказался следствием ненулевых масс слабых калибровочных бозонов. В физике частиц связи, накладываемые соотношением неопределенностей и специальной теорией относительности, имеют заметные следствия. В конце гл. 6 я обсуждала вопрос о наименьших расстояниях, на которых частица данной энергии, например, характерной энергии слабого взаимодействия или планковской энергии, может быть подвержена действию сил. В силу соотношения специальной теории относительности между энергией и массой (E = mc²) массивным частицам, например слабым калибровочным бозонам, автоматически присущи аналогичные соотношения между массой и расстоянием.

В частности, взаимодействие, осуществляемое путем обмена частицей некоторой массы, становится тем слабее на больших расстояниях, чем меньше масса. (Это расстояние пропорционально также постоянной Планка и обратно пропорционально скорости света[98].) Приведенная в гл. 6 связь между массой и расстоянием говорит нам, что слабый калибровочный бозон, масса которого примерно равна 100 ГэВ, автоматически передает слабое взаимодействие только частицам, находящимся на расстоянии 10^-18 м. На больших расстояниях переносимое частицей взаимодействие становится необычайно малым, слишком малым для того, чтобы мы могли это когда-нибудь обнаружить.

Ненулевая масса слабого калибровочного бозона представляется критической для успеха теории слабого взаимодействия. Масса есть причина того, что слабое взаимодействие действует только на очень коротких расстояниях, и настолько слабо, что кажется практически несуществующим на больших расстояниях. В этом отношении слабые калибровочные бозоны отличаются от фотона и гравитона, которые не имеют массы. Так как фотон и гравитон, частица, переносящая гравитационное взаимодействие, переносят энергию и импульс, но не имеют массы, они могут передавать взаимодействия на большие расстояния.

Понятие о безмассовой частице может показаться странным, но с точки зрения физики частиц в нем нет ничего удивительного. Безмассовость частиц говорит нам, что эти частицы распространяются со скоростью света (в конце концов, свет состоит из безмассовых фотонов), кроме того, энергия и импульс таких частиц всегда подчиняется определенному соотношению: энергия пропорциональна импульсу.

С другой стороны, переносчики слабого взаимодействия имеют массу. С точки зрения физики частиц, именно массивный (а не безмассовый) калибровочный бозон представляется странным. Ключевое открытие, проложившее дорогу теории слабого взаимодействия, состояло в понимании происхождения масс слабых калибровочных бозонов, благодаря которым зависимость слабого взаимодействия от расстояния так отличается от этой зависимости для электромагнитного взаимодействия. Механизм, который порождает массы слабых калибровочных бозонов, известный как механизм Хиггса, будет обсуждаться в гл. 10. Как мы увидим в гл. 12, лежащая в основе теория, т. е. точная модель, которая придает частицам их массы, является одной из величайших загадок, с которыми сталкиваются сейчас физики-частичники. Одной из привлекательных черт теории дополнительных измерений является то, что она способна помочь решить эту загадку.

Мой приятель-физик однажды объяснял одной из моих сестер, что он изучает «сильное взаимодействие, которое называется сильным потому, что оно очень сильное». Хотя сестра не сочла это особенно убедительным, но на самом деле термин для сильного взаимодействия выбран удачно. Это действительно необычайно мощное взаимодействие. Оно настолько сильно связывает вместе составные части протона, что в обычных условиях они никогда не разъединяются. Сильное взаимодействие имеет только косвенное отношение к последующим частям этой книги, так что здесь для полноты я изложу лишь основные факты, касающиеся этого взаимодействия.

Сильное взаимодействие, которое описывается теорией, называемой квантовой хромодинамикой (КХД), является последним из взаимодействий Стандартной модели, которое мы можем объяснить с помощью обмена калибровочными бозонами. Это взаимодействие также было открыто только в прошлом веке. Сильные калибровочные бозоны называются иначе глюонами, так как они передают взаимодействие как некий клей[99], связывающий вместе сильно взаимодействующие частицы.

В 1950-е и 1960-е годы физики открыли одну за другой много частиц. Отдельным частицам были присвоены названия букв греческого алфавита, например, π (пион), θ (тета) и Δ (Дельта). Все вместе эти частицы были названы адронами от греч. слова αδρος («тяжелый»).

Действительно, все адроны были намного массивнее электрона. Большей частью они были сравнимы по массе с протоном, масса которого в 2000 раз больше массы электрона. Невероятное многообразие адронов было загадкой, пока физик Мюррей Гелл-Манн[100] не высказал в начале 1960-х годов гипотезу, что многие адроны не являются фундаментальными частицами, а сами состоят из частиц, которые он назвал кварками.

Слово «кварк» было взято Гелл-Манном из романа «Поминки по Финнегану» Джеймса Джойса: «Три кварка для мистера Марка! Ему уж точно немного достанется на барке. И все его богатство ему уж ни к чему»[101]. Насколько я могу понять, все это имеет очень малое отношение к физике кварков, не считая двух вещей: кварков три, и их трудно понять[102].

Гелл-Манн предположил, что существуют три разновидности кварков[103], которые называют сейчас верхний (u), нижний (d) и странный (s), и многочисленные адроны соответствуют многим возможным комбинациям связанных друг с другом кварков. Если его гипотеза верна, то все адроны должны закономерно разделяться на предсказуемые группы. Как часто случается, когда предлагаются новые физические принципы, Гелл-Манн на самом деле не верил в существование кварков. Тем не менее его предположение было довольно смелым, так как в это время были открыты только некоторые из предсказываемых адронов. Поэтому для Гелл-Манна стало большой победой открытие недостающих адронов и подтверждение гипотезы кварков, что проложило ему путь к получению Нобелевской премии по физике 1969 года.

Хотя физики согласились с тем, что адроны состоят из кварков, прошло целых девять лет после этой гипотезы, прежде чем адронная физика была объяснена в рамках сильного взаимодействия. Парадоксально, что последним объясненным взаимодействием было сильное взаимодействие, отчасти из-за его колоссальной интенсивности. Сейчас мы знаем, что сильное взаимодействие настолько велико, что фундаментальные частицы, например кварки, испытывающие сильное взаимодействие, всегда связаны друг с другом, так что их трудно изолировать и, следовательно, изучать. Частицы, испытывающие сильное взаимодействие, не могут скитаться в одиночку, без компании.

Каждая разновидность кварков имеет три типа. Физики шутливо пометили разные типы цветами, и иногда называют типы кварков красным, зеленым и голубым. Цветные кварки всегда обнаруживаются связанными вместе с другими кварками и антикварками в нейтральную по цвету (бесцветную) комбинацию. Это те комбинации, в которых «заряды» сильного взаимодействия кварков и антикварков компенсируют друг друга, аналогично тому, как разные цвета при смешивании дают белый свет[104]. Существуют два типа бесцветных комбинаций. Стабильные адронные конфигурации содержат либо объединенные друг с другом кварк и антикварк, либо три связанных вместе кварка (без антикварков). Например, в частицах, называемых пионами, кварк спаривается с антикварком, а в протоне и нейтроне связаны вместе три кварка.

В адронах «заряд» сильного взаимодействия между кварками сокращается, во многом аналогично тому, как заряд положительно заряженного протона сокращается с зарядом отрицательно заряженного электрона в атоме. Но в отличие от атома, который можно ионизовать без труда, очень трудно разбить на составные части такие объекты, как протон и нейтрон, которые необычайно сильно связаны глюонами — переносчиками сильного взаимодействия.

Теперь мы почти готовы вернуться к открытию кварков, метафорически описанному в ревизионистской сказке Афины. Протон и нейтрон состоят из комбинаций трех кварков, в которых взаимно сокращается заряд, связанный с сильным взаимодействием. Протон содержит два u-кварка и один d-кварк — разные типы кварков с разными электрическими зарядами. Так как электрический заряд u-кварка равен +²/з, а электрический заряд d-кварка равен -¹/₃, электрический заряд протона равен +1. А нейтрон содержит один u-кварк и два d-кварка, так что его электрический заряд равен 0 (сумма зарядов -¹/₃, -¹/₃ и +²/₃).

Кварки можно представить как твердые точечноподобные объекты, находящиеся в большом рыхлом протоне. Они внедрены в протон или нейтрон, как горошины, запрятанные под матрасами. Но как и в случае с прыгающей принцессой, ставящей себе синяки при ударе о горошину, энергичный экспериментатор может выстрелить по протону электроном большой энергии, который испускает фотон, рикошетом отскакивающий от кварка. Это совсем не похоже на фотон, отскакивающий от большого мягкого тела, точно так же, как альфа-частица в опыте Резерфорда, отскакивающая от жесткого ядра, сильно отличается от альфа-частицы, отскакивающей от размазанного положительного заряда.

Эксперимент по глубоко-неупругому рассеянию, выполненный Фридманом, Кендаллом и Тейлором в Станфордском центре линейного ускорителя (SLAC), продемонстрировал существование кварков, зарегистрировав указанный эффект. Экспериментаторы показали, каким образом ведут себя электроны, рассеивающиеся на протонах, тем самым продемонстрировав первое экспериментальное свидетельство реального существования кварков. За это открытие Джерри Фридман и Генри Кендалл (они были моими коллегами в Массачусетском технологическом институте), а также Ричард Тейлор получили Нобелевскую премию по физике 1990 года.

Когда кварки рождаются в столкновениях частиц высоких энергий, они еще не связаны в адроны, но это не означает, что они изолированы. У них всегда есть сопровождающая их свита из других кварков и глюонов, обеспечивающая нейтральность всей комбинации по отношению к сильному взаимодействию. Кварки никогда не возникают как свободные объекты без сопровождения, а всегда экранированы многими другими сильно взаимодействующими частицами. Вместо отдельного изолированного кварка экспериментатор регистрирует множество частиц, состоящих из кварков и глюонов и летящих примерно в одном направлении.

В целом группы частиц, состоящие из кварков и глюонов и согласованно двигающиеся в определенном направлении, носят название струй. Как только образуется струя частиц большой энергии, она напоминает канат, в том смысле, что она никогда не исчезает. При разрезании каната вы получаете два новых куска каната. Аналогично, когда струи разделяются за счет взаимодействий, их отдельные куски могут образовать новые струи, но никогда не удастся разделить их на отдельные, изолированные кварки и глюоны. Стефен Сондхайм скорее всего не думал об ускорителях частиц высоких энергий, когда писал стихи для песни «Ракет»[105] в «Вестсайдской истории», но его слова прекрасно подходят к струям сильно взаимодействующих частиц. Энергичные сильно взаимодействующие частицы всегда держатся вместе. «Они никогда не одиноки… Они — под защитой».

В этой главе уже было рассказано о трех из четырех известных взаимодействий — электромагнитном, слабом и сильном. Остающееся гравитационное взаимодействие настолько слабо, что оно никак не влияет на экспериментально наблюдаемые предсказания физики частиц.

Но мы еще не закончили представление всех частиц Стандартной модели. Эти частицы идентифицируются по своим зарядам, а также по своей киральности. Как я рассказывала ранее, левые и правые частицы могут иметь (и на самом деле имеют) различные слабые заряды.

Специалисты разделяют все эти частицы на кварки и лептоны. Кварки — это фундаментальные фермионы, способные участвовать в сильных взаимодействиях. Лептоны — это фермионы, не способные участвовать в сильных взаимодействиях. Примерами фермионов могут служить электроны и нейтрино. Слово «лептон» происходит от греческого слова λεπτος, означающего «маленький» или «легкий», что указывает на малую массу электрона.

Странно, что в дополнение к частицам, существенным для структуры атома, таким как электрон и и- и d-кварки, существуют дополнительные частицы, которые хотя и больше по массе, но имеют те же заряды, что и уже упомянутые частицы. У всех легчайших стабильных кварков и лептонов есть более тяжелые копии. Никто не знает, почему они существуют и для чего они нужны.

Когда физики впервые поняли, что мюон, частица, впервые обнаруженная в космическом излучении, есть не что иное, как более тяжелая версия электрона (тяжелее в 200 раз), физик И. Раби спросил: «А кто его заказал?» Хотя мюон, как и электрон, отрицательно заряжен, он тяжелее электрона, и может в него распадаться. Иными словами, мюон нестабилен (см. рис. 53) и быстро превращается в электрон (и два нейтрино). Насколько мы сейчас знаем, мюон не играет никакой роли в строении вещества здесь, на Земле. Почему же он существует? Это одна из загадок Стандартной модели, которая, как мы надеемся, будет решена при дальнейшем развитии науки.

На самом деле существуют три копии полного набора частиц с одинаковыми зарядами Стандартной модели (рис. 52). Каждая из этих копий носит название поколения или, иногда, семейства. Первое поколение частиц содержит левый и правый электрон, левый и правый u-кварк, левый и правый d-кварк и левое нейтрино. Первое поколение содержит весь стабильный материал, из которого состоят атомы, а следовательно, и все стабильное вещество.

Второе и третье поколения включают нестабильные частицы, которые отсутствуют в «нормальном» известном веществе. Эти частицы не являются точными копиями первого поколения; их заряды тождественны зарядам частиц первого поколения, но сами частицы тяжелее. Они были обнаружены только после того, как были рождены на ускорителях частиц высоких энергий, но смысл их существования остается туманным. Второе поколение включает левый и правый мюон, левый и правый с-кварк и левый и правый s-кварк, а также стабильное левое мюонное нейтрино[106]. Третье поколение включает левый и правый тау-лептон, левый и правый t-кварк (называемый также топ-кварком), левый и правый b-кварк, а также левое тау-нейтрино. Тождественные копии конкретной частицы с определенным зарядом, каждая из которых является членом своего поколения, часто называют ароматами частицы этого типа.

Из рис. 52 можно видеть, что хотя в те времена, когда Гелл-Манн впервые высказал гипотезу о существовании кварков, было известно о существовании только трех ароматов кварков, сейчас мы знаем шесть ароматов: три типа u и три типа d, по одному в каждом поколении. В дополнение к самому u-кварку существуют еще два одинаково заряженных кварка типа и — кварки с и t. Аналогично, d-, s- и b-кварки являются разными ароматами кварка типа d. А мюон и тау-лептон есть более тяжелые ароматы электрона.

Физики все еще пытаются понять причину существования трех поколений и то, почему частицы имеют определенные массы. Это главные вопросы, касающиеся Стандартной модели, которые питают проводимые сейчас исследования. Вместе с коллегами я много работала над этими вопросами, но мы все еще ищем ответы.

Тяжелые ароматы существенно тяжелее легких. Хотя следующий тяжелый b-кварк был открыт в 1977 году, последний самый тяжелый t-кварк ускользал от экспериментаторов до 1995 года. Предметом следующей главы будут два эксперимента по физике частиц, в том числе тот, в котором был открыт t-кварк.

Что стоит запомнить

• Стандартная модель описывает негравитационные взаимодействия и частицы, испытывающие эти взаимодействия. В дополнение к хорошо известному электромагнитному взаимодействию, существуют два взаимодействия, действующих в рамках ядра — сильное взаимодействие и слабое взаимодействие.

• Слабое взаимодействие остается загадкой в Стандартной модели. В то время как два других взаимодействия переносятся безмассовыми частицами, калибровочный бозон, переносящий слабое взаимодействие, имеет массу.

• В дополнение к частицам, переносящим взаимодействия, Стандартная модель содержит частицы, испытывающие эти взаимодействия. Эти частицы разделены на две категории: кварки, испытывающие сильное взаимодействие, и лептоны, не испытывающие этого взаимодействия.

• Содержащиеся в веществе легкие кварки и лептоны (u-кварк, d-кварк и электрон) — не единственные известные частицы. Существуют и более тяжелые кварки и лептоны: для u-кварка, d-кварка и электрона имеется по две более тяжелых модификации.

• Тяжелые частицы нестабильны, т. е. они распадаются на более легкие кварки и лептоны. Однако они были созданы в экспериментах на ускорителях частиц, и было показано, что более тяжелые частицы участвуют в тех же взаимодействиях, что и обычные легкие, стабильные частицы.

• Каждая группа частиц, состоящая из заряженного лептона, кварка u-типа и кварка d-типа, называется поколением. Существуют три поколения, каждое из которых содержит, соответственно, все более тяжелые модификации частиц каждого типа. Такие разновидности частиц носят название ароматов. Существуют три кварковых аромата u-типа, три кварковых аромата d-типа, три аромата заряженного лептона и три аромата нейтрино.

• Далее я не буду использовать названия и детальное описание каждого конкретного кварка. Однако следует иметь представление о поколениях и ароматах из-за налагаемых этими понятиями сильных ограничений на свойства частиц, которые дают нам важнейшие ключи и ограничения на физику за рамками Стандартной модели.

• Важнейшим среди этих ограничений является то, что различные ароматы кварков и лептонов с одинаковыми зарядами не превращаются друг в друга. Теории, в которых частицы могут легко менять свой аромат, исключены. Далее мы увидим, что это является большим вызовом моделям нарушенной суперсимметрии и другим предлагавшимся расширениям Стандартной модели.