Не все элементарно, Ватсон

Время прочтения: 15 минут

Бозоны, кварки, лептоны, протоны… Нет, это не заклинания из «Гарри Поттера», а названия тех частиц, которые открыли ученые за прошедшее столетие, и это еще не предел. Из чего же состоит наш мир, и почему вся Вселенная — это матрешка? На эти вопросы ответил ученый Дмитрий Казаков на своем курсе по физике элементарных частиц.

Историческая справка

Понятие элементарной частицы постоянно менялось с развитием науки и техники. В Древней Греции неделимыми считались атомы. В начале XX века физик Эрнест Резерфорд доказал, что атомы делятся, причем почти вся их масса сосредоточена в центральной части — ядре. Казалось бы, вот она — новая элементарная частица. Однако вокруг ядра находились отрицательно заряженные электроны, а сами атомы — нейтральны: тогда где нужно было искать положительно заряженные части?

В 1930-х немецкий и русский физики Вернер Гейзенберг и Дмитрий Иваненко выдвинули теорию о том, что ядра состоят из положительно заряженных частиц — протонов, и нейтронов с нулевым зарядом. Как раз в это же время начался расцвет квантовой механики, которая смогла объяснить то строение ядер, которое по классической физике Ньютона казалось совершенно невозможным: например, почему электрон во время движения по орбите не теряет энергию и не падает прямо на атомное ядро.

В середине прошлого столетия физики начали изучать космические лучи, в которых многие ранее неизвестные элементарные частицы долетали до Земли. Таким образом был открыт новый тип частиц — мезоны. Позднее для этого стали специально строить ускорители, так как в космических лучах до нас долетали только относительно долгоживущие частицы, которые распадаются за 10-9–10-6 секунд.

Классификация элементарных частиц

С точки зрения участия в различных взаимодействиях (например, электромагнитных), можно выделить три класса частиц:

• Участвующие сильных ядерных взаимодействиях — адроны (отличаются высокой массой)
• Не участвующие в сильных ядерных взаимодействиях — лептоны (легкие частицы)
• Частицы-переносчики взаимодействий (не имеют массу, например, фотоны)

Адроны

Самые известные адроны — это протоны и нейтроны.Такие частицы стали описывать через математическую теорию групп, где в зависимости от свойств их объединяли в семейства. Андроны определенным образом вписываются в матрицы, где каждый занимает свое место. Если в матрице присутствовали пробелы, это означало, что та или иная частица еще не открыта. Позднее эксперименты подтвердили такие выводы. 

Однако некоторые адроны совсем не вписывались в матрицы. Это породило мысль: вдруг они тоже не элементарны? Тогда ученые выдвинули идею о существовании еще более фундаментальных частиц. Американский физик Джордж Цвайг называл их тузами, однако из-за аналогии с карточными играми такой термин не прижился. А вот название «кварк», взятое из книги «Поминки по Финнегану» лауреатом Нобелевской премии по физике Мюрреем Гелл-Манном, всем пришлось по вкусу. «Три кварка для мистера Марка» — писал когда-то Джеймс Джойс, автор книги, не подозревая, какое значение примет это слово.

Лептоны

Самый известный представитель класса лептонов — электрон. После него был открыт мюон, обладающий абсолютно теми же свойствами, но тяжелее электрона в 200 раз. Следующим за мюоном открыли таон, обладающий еще большей массой. 

В процессе изучения ядерных распадов выяснилось, что вместе с электроном образуется крайне легкая незаряженная частица, объясняющая потерю энергии в подобных превращения. Энрико Ферми предложил для нее термин «нейтрино». Он обладает очень маленькой массой и не имеет заряда, всегда рождается вместе с электроном. У мюона и таона есть собственные нейтрино. Все эти 6 частиц являются единственными известными на сегодняшний день лептонами. Примечательно, что из-за крайне маленькой массы эти частицы очень стабильны — им просто не во что распадаться. Поэтому они существуют со времен образования Вселенной.

Таким образом, все, что нас окружает на самом деле просто матрешка: внутри молекул есть атомы, внутри атомов — атомные ядра и электроны. Внутри ядра находятся протоны и нейтроны, состоящие из кварков. И несмотря на стремительное развитие технологий и возникновение новых теорий, в физике элементарных частиц до сих пор остается множество неразрешенных вопросов. Однако каждое открытие ученых в этой области позволяет нам вникнуть в суть самой природы, открывая ее слой за слоем, и кто знает, что мы найдем дальше? 

Автор: Елена Катернюк

Фото на обложке: unsplash.com