Само за сложните бозони, фермиони, кварки и други елементарни компоненти на Вселената
Теории и практики
Поради обширната терминология повечето популярни книги и статии по физика на елементарните частици не задълбават по-далеч от факта, че кварките съществуват. Трудно е да се обсъжда нещо, ако широката публика не разбира напълно основните термини. Владислав Лялин, студент в Московския физико-технологичен институт и служител на Лабораторията по фундаментални взаимодействия, пое функцията на ръководство за това, което се нарича Стандартен модел, доминиращата физическа теория, която обяснява всички известни на науката частици и тяхното взаимодействие помежду си, тоест структурата на Вселената на най-дълбоко ниво.
Структурата на материята
Владислав Лялин
Така че всичко е съставено от молекули, а молекулите са съставени от атоми. Атомът се състои от ядро и облаци от електрони около него, които извършват много по-сложни движения от просто въртене. Ядрото е около 10 хиляди пъти по-малко от размера на атома, въпреки че е почти цялата му маса и се състои от протони и неутрони. По правило повечето училищни курсове по физика свършват тук, но физиката не свършва дотук. През 50-те години на миналия век учените знаеха за съществуването на пет частици, които нарекоха елементарни. Това бяха протон, неутрон, електрон, фотон и електронно неутрино. В рамките на няколко десетилетия (с появата на първите колайдери) имаше няколко десетки частици, които трябва да се считат за елементарни, и този брой само нарастваше. Терминът "елементарна частица" трябваше да бъде преразгледан - и в същото време да излезе с нова теория, да отиде още по-дълбоко в структурата на материята. С течение на времето е създадена теория, наречена Стандартен модел, която описва всички известни взаимодействия (с изключение на гравитацията).
От дълбока древноствремената, материята и силите (взаимодействията) във физиката бяха разделени. Тази идея присъства и в Стандартния модел. Всички елементарни частици в него се делят на „тухли от материя“ – фермиони и носители на взаимодействие – бозони. Тези класове частици са много различни един от друг, една от най-забележителните разлики е липсата на принципа на изключване на Паули за бозоните. Грубо казано, в една точка на пространството не може да има повече от един фермион, а колкото искате бозони.
В Стандартния модел има само шест елементарни бозона. Фотонът няма електрически заряд, той предава електромагнитна сила - тази, която свързва атомите в молекули. Глуонът предава силната сила и има свой собствен вид заряд (повече за това по-късно). Това е силното взаимодействие, което е отговорно за ядрените сили, държащи протоните и неутроните заедно в ядрата. W+, W- и Z0 означава, че бозоните са заредени съответно положително, отрицателно и неутрално (незаредени). Те са отговорни за така нареченото слабо взаимодействие, което може да превърне една частица в друга. Най-простият пример за слабо взаимодействие е разпадането на неутрон: един от кварките, които изграждат неутрона, излъчва W-бозон и се превръща в друг кварк, който се разпада на електрон и неутрино.
Остава последният бозон, бозонът на Хигс. Теоретично е предсказано още през 60-те години на миналия век, но съществуването му е експериментално доказано едва през 2013 г. Тя е отговорна за инерционната маса на елементарните частици - а именно масата, отговорна за ефектите на инерцията, а не на привличането. Досега няма квантова теория, която да свързва едновременно инерцията и гравитацията.
Има много повече елементарни фермиони, отколкото елементарни бозони. Те са разделени на два класа: лептони и кварки. Те се различават по това, че участват кваркисилно взаимодействие, докато лептоните не.
Лептоните идват в три поколения, всяко поколение има два лептона, един зареден и един неутрален. Първо поколение: електрон и електронно неутрино, второ - мюон и мюонно неутрино, трето - тау лептон и . Лептоните са много сходни един с друг, мюоните и (както и електроните) могат да образуват атоми, замествайки електроните в орбиталите. Основната им разлика е в масата: мюонът е 207 пъти по-тежък от електрона и 17 пъти по-тежък от мюона. Неутриното би трябвало да има подобна история, но масите им са толкова малки, че все още не са измерени. Тези маси определено са различни от нула, доказателството за този факт беше удостоено с Нобелова награда през 2015 г. Мюонът също е нестабилен: животът на мюона е около 0,2 милисекунди (което всъщност е доста дълго време), тау лептонът се разпада около 17 пъти по-бързо. Особеността на неутриното е, че те участват само в слаби взаимодействия, което ги прави много трудни за откриване. Те също могат произволно да променят степента си: например електронно неутрино може внезапно да се превърне в мюонно или обратно. За разлика от бозоните, лептоните имат античастици. Така общият брой на лептоните не е 6, а 12.
На английски думата funny може да означава „смешно“ и „странно“. Тук кварките са просто смешни. Те се наричат забавно: горни, долни, странни, омагьосани, прекрасни и истински. И се държат много странно. Има три поколения кварки, по два кварка и по същия начин всички имат античастици. Кварките участват както в електромагнитното и слабото взаимодействие, така и в силното. За бележка: фермионите, включени в силното взаимодействие, се наричат адрони; по този начин адроните са частици, съставени от кварки. Следователно Големият адронен колайдер всъщност се наричаадронен: там се сблъскват протони или ядра на атоми (адрони), но не и електрони. Кварките обичат да се образуват в частици от три и два кварка, но никога един по един. В това се крие тяхната странност. Частиците от три кварка се наричат бариони, а частиците от два се наричат мезони.
Защо го правят? Това се дължи на особеностите на силната сила, която задържа кварките в адроните. Силното взаимодействие е много интересно: вместо един заряд, както при електромагнитното, силното има три от тях. И се оказва, че има само неутрални частици, а една частица може да бъде неутрална само ако има или три различни заряда с един и същи знак, или два еднакви заряда с различни знаци. Поради тази особеност (и за удобство) зарядите започнаха да се наричат червени, зелени и сини, а съответните отрицателни заряди - античервени, антизелени и антисини. Оказва се, че ако вземем червено, зелено и синьо, получаваме бяло, тоест неутрално; ако вземем червено и античервено, получаваме и бяло. Това е лесно за запомняне, но си струва да се подчертае, че това няма нищо общо с цветовете, с които сме свикнали в живота. Това е просто хубава и удобна аналогия за смесване. В Стандартния модел всеки кварк може да бъде всеки от трите цвята, а антикваркът може да бъде всеки от трите „антицвета“. Оказва се, че нито един от кварките не може да бъде директно открит, тъй като само безцветните частици могат да съществуват свободно, а кварките са „оцветени“. Тази особеност на поведението им се нарича confinement, което буквално се превежда от английски като "лишаване от свобода".
Затвор
Добре, да кажем, че кварките не могат да съществуват свободно. Но какво ще стане, ако просто вземем мезон, съставен от два кварка, и го разделим на две части? Няма ли да получимдва кварка? (Всъщност не.) Представете си, че мезонът е разтегнат много силно. За разлика от електромагнитното, силното взаимодействие е толкова по-силно до определена граница, колкото по-отдалечени са взаимодействащите частици. Това е като пружина: колкото повече го разтягате, толкова повече ще се компресира и толкова повече енергия ще има. За да събере кварките по-силно, силната сила създава нови глуони. И колкото повече ги разтягаме, толкова повече глуони се създават. Но в момента енергията на тези създадени глуони става толкова голяма, че става по-изгодно да се създаде нова двойка кварк-антикварк, отколкото да продължим да произвеждаме глуони. Много глуони изчезват, заменени от кварк и антикварк. В момента на появата на двойка кварк-антикварк се създават два мезона от четири кварка, всеки от които е безцветен.
Може да изглежда, че теорията е затворена сама по себе си и че кварките всъщност не съществуват, а конфайнментът всъщност е патерица, която е изобретена само за да спре търсенето на кварки; че това е просто удобен модел, който няма физическа обосновка. Дълго време тази идея се въртеше в научните среди. Въпреки това, късни теоретични изследвания и скорошни експериментални изследвания показват, че при определени условия кварките могат да напуснат адроните. Освен това това състояние на материята съществува почти веднага след големия взрив и едва след силно охлаждане кварките се свързват в адрони. Това състояние на материята в момента се изследва в Големия адронен колайдер в експеримента ALICE. За да го получите, имате нужда от температура от два трилиона градуса. Това състояние на материята се нарича кварк-глуонна плазма.
За да разберете какво е кварк-глуонна плазма, струва си да направите аналогия. Представете си вода при нулева гравитация. Тя е вътретечно агрегатно състояние и сили на повърхностно напрежение, той има формата на топка - можем да кажем, че е затворен в тази топка. Да започнем да повишаваме температурата. Когато достигне 100 градуса, водата ще започне да кипи, активно ще се изпарява и в крайна сметка ще стане напълно пара, която вече няма да има повърхностно напрежение. Феноменът на превръщане на водата в пара се нарича фазов преход. Ако продължим да нагряваме парата, тогава при около 1400 градуса водните молекули ще се разделят на водород и кислород – ще се дисоциират – и водата ще се превърне в смес от кислородна и водородна плазма. Това е друг фазов преход. Сега нека вземем газ - но не от водни молекули, а от адрони - и да започнем да го нагряваме. Трябва да се нагреете доста, защото фазовият преход изисква температура от около два трилиона градуса. При тази температура адроните изглежда се "разпадат" на свободни кварки и глуони. Така адронът ще направи фазов преход към състояние на кварк-глуонна плазма. Това явление се нарича деконфайнмънт, тоест процесът на освобождаване на кварките от адроните.