Нейтрино
Итак, кроме трех фермионов (протона, нейтрона и электрона) у нас появились еще три (антипротон, антинейтрон, позитрон), то есть всего шесть частиц. Пока еще не густо. И остались загадки. Например, когда распадаются нейтроны, они превращаются в протоны и испускают электроны. Тщательное изучение процесса показало, что при таком распаде вроде бы нарушается закон сохранения энергии – полная энергия протона и электрона всегда оказывалась немного меньше, чем у их родителя нейтрона.
Решение этой задачи нашел в 1930 году Вольфганг Паули. Он предположил, что лишнюю энергию уносит крошечная нейтральная частица, обнаружить которую весьма трудно. Он назвал свою гипотетическую частицу «нейтроном» – это произошло еще до того, как это имя присвоили тяжелой нейтральной частице, входящей в состав атомного ядра. Позже Энрико Ферми предложил назвать частицу Паули «нейтрино», что в переводе с итальянского означает «нечто маленькое и нейтральное».
Распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино
На самом деле, как мы сейчас знаем, при распаде нейтрона испускается не нейтрино, а антинейтрино, но в принципе Паули был абсолютно прав. Надо сказать, что тогда он был слегка смущен, ведь ему пришлось ввести в научный обиход частицу, которую, как всем казалось, обнаружить нельзя. Зато сейчас все изменилось, и физика нейтрино стала неотъемлемой частью физики элементарных частиц.
И после введения нейтрино с механизмом распада нейтронов не все еще было ясно. Когда частицы взаимодействуют друг с другом, предполагается, что на них действует некая сила, однако распад нейтрона не мог быть вызван ни силами гравитации, ни электромагнитными, ни ядерными силами. И тогда физики приписали распад нейтрона некому «слабому ядерному взаимодействию»: эта сила, очевидно, имела какое-то отношение к нуклонам, но в то же время не была той силой, что удерживает нуклоны вместе и называется «сильным ядерным взаимодействием».
Существование нейтрино установило некоторую симметрию между элементарными частицами. Были две легкие частицы, электрон и нейтрино, которые в конечном итоге окрестили «лептонами» – от древнегреческого слова λεπτόζ (лептос), «малый». И было две тяжелые частицы, протон и нейтрон, которые немного позже назвали «адронами» – от древнегреческого αδρόζ (адрос), «массивный». Адроны подвержены сильному ядерному взаимодействию, в то время как лептоны его не чувствуют. В каждой двойке имеется одна заряженная частица и одна нейтральная. И если вы решите, что это все, что ими исчерпываются основные строительные блоки материи, вас можно понять.
Но в 1936 году появился – как с неба упал – неожиданный гость по имени мюон. Карл Андерсон, первооткрыватель позитрона, и Сет Неддермайер опять принялись исследовать космические лучи – частицы, которые попадают в атмосферу Земли из космоса, и обнаружили новую отрицательно заряженную, как и электрон, частицу, но тяжелее электрона, однако легче, чем мог бы быть антипротон. Ее назвали «мюмезон», но вскоре поняли, что это совсем не мезон, то есть бозон, составленный из кварка и антикварка), и название укоротили до «мюона». В 1930-е годы в лаборатории Калтеха, где работал Карл Андерсон, было обнаружено не менее половины из известных сегодня элементарных частиц. Кто знает, а вдруг спустя одно или два десятилетия половина из открытых к тому времени элементарных частиц будет найдена на БАКе…
Итак, мюон стал настоящим сюрпризом. У физиков уже имелся электрон, зачем им был нужен его более тяжелый кузен? Эту озадаченность физического сообщества лучше всего передает знаменитая острота выдающегося физика, лауреата Нобелевской премии Исидора Айзека Раби по поводу открытия мюона: «Ну и кто его заказал?». Наверняка нечто подобное мы услышим, и не раз, если в экспериментах на БАКе откроется что-то совершенно неожиданное, и теоретикам придется пересматривать свои устоявшиеся модели.
И это было только началом. В 1962 году экспериментаторы Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Штейнбергер показали, что в действительности существует два различных вида нейтрино. Есть «электронные нейтрино», которые взаимодействуют с электронами и часто образуются одновременно с ними, но еще есть и «мюонные нейтрино», образующиеся одновременно с мюонами. Когда распадается нейтрон, он испускает электрон, протон и электронное антинейтрино, а когда распадается мюон, он испускает электрон, электронное антинейтрино, но кроме них еще и мюонное нейтрино.
Три поколения лептонов Стандартной модели.
Большие кружки указывают на большие массы.
Затем история повторилась. В 1970-х годах была обнаружена тау-частица (тау-лептон), отрицательно заряженная, как и электрон, но тяжелая – даже тяжелее мюона. Эти три частицы оказались очень похожими – практически кузенами, отличаясь только массами. В частности, все они ощущают действие слабых и электромагнитных сил, но не чувствуют сильное взаимодействие. И тау-частица тоже имеет свое собственное нейтрино, существование которого предполагалось, но до 2000 года поймать его не смогли.
Итак, мы уже знаем по крайней мере шесть лептонов, которые образуют три «семейства» или, как их называют, «поколения»: электрон и его нейтрино, мюон и его нейтрино и тау-частица и ее нейтрино. Совершенно естественно задаться вопросом, не обнаружится ли за ними еще четвертое, пятое и так далее поколения. Сейчас есть некоторые доказательства того, что этими тремя поколениями все лептоны исчерпываются. Известные нейтрино имеют очень малую массу – они, безусловно, намного легче электрона. Теперь понятно, как искать новые легкие частицы, тщательно анализируя распады более тяжелых частиц. Ученые посчитали, сколько видов нейтриноподобных частиц должно существовать, чтобы объяснить эти распады, и получили, что их должно быть три. Конечно, нельзя быть до конца уверенным, что где-то еще не скрываются и другие похожие частицы, допустим, с аномально большими массами, но скорее всего физики нашли все возможные нейтрино (и следовательно, число поколений лептонов исчерпывается тремя).
Меж тем и адронная физика не стояла на месте. Появление ускорителей частиц в середине XX века привело к буму элементарных частиц. Были открыты пионы, каоны, эта-мезоны, ро-мезоны, гипероны и многие другие частицы. Уиллис Лэмб, произнося свою Нобелевскую лекцию в 1955 году, пошутил: «Раньше за открытие новой элементарной частицы обычно награждали Нобелевской премией, а теперь за это следует штрафовать на 10 000 долларов».
Все эти новые частицы были адронами, и, в отличие от лептонов, сильно взаимодействовали с нейтронами и протонами. Вскоре физики начали подозревать, что эти «понаехавшие» адроны вообще не очень «элементарные» частицы и в их основе лежит некая более глубокая базовая структура.
Загадка была разгадана в 1964 году Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом, независимо друг от друга предположившими, что адроны состоят из более мелких частиц, названных кварками. Как и лептонов, кварков шесть типов, или, как принято говорить, шесть ароматов: верхний (up), нижний (down), очарованный (charm), странный (strange), истинный (top, truth) и прелестный (beauty, bottom). Верхние, очарованные и истинные кварки имеют электрический заряд +2/3, в то время как нижние, странные и прелестные кварки имеют заряд −1/3. Иногда их разбивают на две группы: кварки «верхнего типа» и «нижнего типа» соответственно.
Три поколения кварков Стандартной модели.
Более крупные частицы представлены более крупными кружками.
В отличие от лептонов каждый аромат кварков в действительности представляет собой не одну частицу, а триплет частиц. Три вида каждого кварка различают, приписав каждому виду определенный цвет: красный, зеленый и синий. Названия забавные, но никакого отношения к реальности они не имеют – на самом деле увидеть кварки невозможно, но если бы вам все-таки удалось это сделать, вы убедились бы, что они точно не раскрашены в разные цвета.
Кварки нельзя наблюдать по отдельности, а это значит, что они существуют только в некоторых комбинациях внутри адронов (явление конфайнмента), причем эти комбинации всегда «бесцветные». Протоны и нейтроны состоят из трех кварков. Протон – из двух верхних и одного нижнего, а нейтрон – из двух нижних и одного верхнего. Один из этих кварков будет красным, один – зеленым, и один – синим, а вместе они дают белый цвет, который считается бесцветным в принятой терминологии. Позже мы увидим, что внутри нуклонов появляются и исчезают «виртуальные» пары кварк-антикварк, но они возникают в виде комбинаций «кварк определенного цвета – антикварк противоположного цвета», так что общая «белизна» не нарушается.
