FUTURYCON
11 805 subscribers

Новая физика: обновленная карта всех частиц и фундаментальных сил (1 часть)

2,9k full reads
(Иллюстрация: Ashley Mackenzie for Quanta Magazine)
(Иллюстрация: Ashley Mackenzie for Quanta Magazine)

Всё в природе возникает из горстки компонентов - элементарных частиц, - которые взаимодействуют друг с другом лишь несколькими способами. В 1970-х годах физики разработали систему уравнений, описывающих эти частицы и взаимодействия. Вместе эти уравнения сформировали лаконичную теорию, известную теперь как Стандартная модель физики элементарных частиц.

В Стандартной модели отсутствует несколько частей головоломки (явно отсутствуют предполагаемые частицы, составляющие темную материю, частицы, передающие силу тяжести, и объяснение массы нейтрино), но она дает чрезвычайно точную картину почти всех других наблюдаемых явлений.

Тем не менее, для структуры, которая инкапсулирует наше лучшее понимание фундаментального порядка природы, в Стандартной модели все еще отсутствует связная визуализация. Большинство попыток слишком просты, или они игнорируют важные взаимосвязи, или они беспорядочны и неопределимы.

Рассмотрим наиболее распространенную визуализацию, которая показывает периодическую таблицу частиц:

Стандартная модель. Все массы даны в MeV/c2. (Иллюстрация: Quanta Magazine)
Стандартная модель. Все массы даны в MeV/c2. (Иллюстрация: Quanta Magazine)

Этот подход не позволяет понять отношения между частицами. Несущие силу частицы (а именно фотон, передающий электромагнитную силу; бозоны W и Z, передающие слабую силу; и глюоны, передающие сильную силу), приравниваются к частицам материи, силы которых действуют между - кварками, электронами и им подобным. Кроме того, не учитываются такие ключевые свойства, как «цвет».

Другое представление было разработано в 2013 году:

Фермионы (материя): кварки и лептоны; Бозоны (носители сил): калибровочный бозон, бозон Хиггса. (Иллюстрация: Quanta Magazine)
Фермионы (материя): кварки и лептоны; Бозоны (носители сил): калибровочный бозон, бозон Хиггса. (Иллюстрация: Quanta Magazine)

Хотя эта визуализация правильно подчеркивает центральность бозона Хиггса - стержня Стандартной модели, по причинам, объясненным ниже, - Хиггс помещен рядом с фотоном и глюоном, хотя в действительности Хиггс не влияет на эти частицы. И квадранты круга вводят в заблуждение - подразумевая, например, что фотон связывается только с частицами, которых он касается, что не так.

Новый подход

Крис Куигг, физик элементарных частиц из Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Иллинойсе, десятилетиями думал о том, как визуализировать Стандартную модель, надеясь, что более мощное визуальное представление поможет познакомить людей с известными частицами природы и побудить их задуматься о том, как эти частицы могут вписаться в более крупную и полную теоретическую базу. Визуальное представление Куигга больше показывает порядок и структуру, лежащую в основе Стандартной модели. Он называет свою схему представлением «двойного симплекса», потому что каждая из левых и правых частиц природы образует симплекс - обобщение треугольника. Далее приведена схема Куигга с некоторыми дополнительными изменениями.

Давайте построим двойной симплекс с нуля.

Кварки на дне

Частицы материи бывают двух основных разновидностей: лептоны и кварки. (Обратите внимание, что для каждого вида частиц материи в природе существует также частица антивещества, которая имеет ту же массу, но противоположна во всех других отношениях. Как и в других визуализациях Стандартной модели, здесь исключено антивещество, которое образовало бы отдельный , перевернутый двойной симплекс.)

Начнем с кварков и, в частности, с двух типов кварков, из которых состоят протоны и нейтроны внутри атомных ядер. Это верхний кварк, который обладает двумя третями единицы электрического заряда, и нижний кварк с электрическим зарядом -1/3.

Верхний и нижний кварки. (Иллюстрация: Quanta Magazine)
Верхний и нижний кварки. (Иллюстрация: Quanta Magazine)

Верхний и нижний кварки могут быть «левыми» или «правыми» в зависимости от того, вращаются ли они по часовой стрелке или против часовой стрелки относительно направления своего движения.

(Иллюстрация: Quanta Magazine)
(Иллюстрация: Quanta Magazine)

Слабое изменение

Левосторонние верхние и нижние кварки могут превращаться друг в друга посредством взаимодействия, называемого слабым взаимодействием. Это происходит, когда кварки обмениваются частицей, называемой W-бозоном, - одним из носителей слабого взаимодействия с электрическим зарядом +1 или -1. Эти слабые взаимодействия представлены оранжевой линией:

(Иллюстрация: Quanta Magazine)
(Иллюстрация: Quanta Magazine)

Как ни странно, в природе нет правых W-бозонов. Это означает, что правосторонние верхние и нижние кварки не могут излучать или поглощать W-бозоны, поэтому они не переходят друг в друга.

(Иллюстрация: Quanta Magazine)
(Иллюстрация: Quanta Magazine)

Яркие цвета

Кварки также обладают зарядом, называемым цветом. Кварк может иметь заряд красного, зеленого или синего цвета. Цвет кварка делает его чувствительным к сильному взаимодействию.

(Иллюстрация: Quanta Magazine)
(Иллюстрация: Quanta Magazine)

Сильное взаимодействие связывает кварки разных цветов вместе в составные частицы, такие как протоны и нейтроны, которые являются «бесцветными» и не имеют чистого цветового заряда.

Кварки переходят из одного цвета в другой, поглощая или испуская частицы, называемые глюонами, носителями сильного взаимодействия. Эти взаимодействия образуют стороны треугольника. Поскольку глюоны сами обладают цветным зарядом, они постоянно взаимодействуют друг с другом, а также с кварками. Взаимодействия между глюонами заполняют треугольник.

(Иллюстрация: Quanta Magazine)
(Иллюстрация: Quanta Magazine)

Продолжение "Новая физика: обновленная карта всех частиц и фундаментальных сил (2 часть)"