Игорь Иванов - Удивительный мир внутри атомного ядра

Я сейчас повторю, я в принципе уже говорил, что если бы их не было, если бы всё было заполнено сплошняком, то при столкновении частиц всё разлеталось бы как-то более-менее изотропно. В разные стороны, но примерно одинаково. Эксперименты же показывают, что когда начинаешь сталкивать частицы при больших энергиях, в результате возникают струи, струи очень узконаправленные. Расчеты показывают, что они могут возникать только в той ситуации, когда у вас есть маленькие компактные объекты, которые разлетаются и порождают струи. Их количество тоже связано с экспериментальными данными — это технические вещи, то есть их тоже можно восстановить.

Вопрос: Вы говорили, что протоны отличаются только разным расположением кварков...

Не протоны, а вот есть много собратьев протонов — таких частиц, которые похожи на протоны. И они все в этом ряду отличаются друг от друга не количеством, а только расположением кварков.

...и в то же время вы сказали еще, что есть разные кварки. То есть все-таки от различности кварков тоже зависит?

Да, то есть есть просто кварки, скажем, тяжелые, которые сами по себе тяжелые. Они нестабильны, но они какое-то время живут. И из них тоже можно составить аналог протона. Эти частицы известны, они открыты, вот, это просто более тяжелые частицы — в них другие кварки сидят.

Вопрос: Я хотел бы спросить уже, скорее, не по самой лекции, а вопрос в целом. Какие еще возможны механизмы возникновения массы?

Понятно. Ну, давайте я парочку еще скажу. Во-первых, есть теория суперобъединения, в которой объединяются три известных взаимодействия — слабое, сильное и электромагнитное. Это всё происходит на еще меньших расстояниях, куда современные эксперименты вообще не достигают пока что. В современных теориях, которые пытаются это описывать, тоже есть аналог хиггсовского поля, только он более тяжелый. Так что, наверное, есть частицы, которые приобретают свою массу не за счет вот этого хиггсовского поля которое как бы «наше», которое будут изучать на LHC, а за счет более тяжелого. Ну, наверное, это тот же самый механизм, тем не менее есть такие частицы.

Совсем другой способ — это через теорию суперструн. Вот есть такая модная теория суперструн. Там колебания струн — это никакое не хиггсовское поле, никакая не концентрация энергии — это просто новый механизм порождения массы.

Вообще, я не знаю, как вы представляете себе массу. Может быть, вам это кажется чем-то особенным. На самом деле, если вы уравнение напишете, то это просто какое-то слагаемое дополнительное, которое тут возникает. Это слагаемое выглядит как масса. Мы его называем массой. То есть ничего особо удивительного в том, что масса появляется каким-то способом, нет.

Вопрос: Вы говорили, что при столкновении ядра разлетаются на несколько сот частиц. Они разлетятся на кварки — а еще на что?

Они по-разному разлетаются, в зависимости от энергии. Могут и на много. Но они не разлетятся на кварки. Ситуация там такая. Я уже говорил, что кварк просто так из протона не вытащишь. Если попытаться это сделать, у вас начнет «пухнуть» глюонное поле, и в какой-то момент оно рвется — просто энергетически выгодно так его разорвать. Когда оно рвется, то в месте разрыва рождается (если вы с терминологией немножко знакомы) получается кварк-антикварковая пара. Получается, что из протона пытались отодрать кварк — а отодрался не кварк, а пи-мезон (это частичка, состоящая из кварка и антикварка). Когда эти частицы рождаются реально в процессе, то выглядит это примерно так: сначала первые кварки сталкиваются, они пытаются разлетаться. Когда они отлетают на какое-то расстояние, это облачко рвется, возникает «кварк + антикварк» здесь и «кварк + антикварк» здесь, потом рвется в разных местах. И после того, как всё это порвалось и энергия уже успокоилась (потому что слишком сначала большая энергия была), потом разлетаются уже частицы: пи-мезоны, К-мезоны, разнообразные адроны и так далее.

Вопрос: Вследствие чего, если брать теорию хиггсовского поля, разные частицы обладают разной массой?

А это тоже непонятно. На этот вопрос не отвечается в рамках этой теории. К сожалению, есть вопросы, на которые эта теория не отвечает. Без этой теории у нас известно, что есть разные частицы с разной массой. В этой теории говорится то же самое, только другими словами: эти частицы по-разному цепляются за поле. Но почему они так цепляются, совершенно неизвестно. Физики надеются, что это начнет проясняться после того, как наконец-то откроют этот хиггсовский бозон, потому что там есть много вариантов, и начнут разбираться, собственно, что это за хиггсовское поле, какой конкретно механизм порождает его во всей Вселенной. Но это еще открытый вопрос.

Вопрос: Связано ли явление дуализма с глюоновым облаком?

Да нет, не связано. Дуализм — в смысле, корпускулярно-волновой дуализм — просто возникает в квантовой механике, без всяких дополнительных частиц, без всяких глюонов.

Вопрос: Струнная теория пытается объяснить не только как, а еще и почему. А вот теория хиггсовского поля объясняет ли, почему существует такое разнообразие частиц?

Нет, нет, конечно не объясняет. Этот вариант хиггсовской теории (ее официальное название — «электрослабая теория со спонтанным нарушением электрослабых сил») это не объясняет. На самом деле, это вовсе не альтернатива вот этой струнной теории. Это теории, которые работают «на разных этажах», скажем так. Суперструнная теория тоже пока ничего не говорит пока что про этот хиггсовский механизм.

Вопрос: А эти теории могут пересекаться?

Они не пересекаются, они могут следовать одна из другой. Суперструнная теория формулируется на очень больших энергиях. После того, как всё компактифицируется, получаются низкие энергии. Что получится при низких энергиях, теория суперструн пока не может ответить. Вот если она сможет вывести хиггсовское поле, тогда это будет большой успех, но пока она этого не может сделать.

Вопрос: Вы сказали, что что-то из хиггсовской теории уже подтвердилось. Что конкретно?

Из нее подтвердилось следующее. Есть частицы, которые переносят слабые взаимодействия: W- и Z-бозоны. У них есть масса, и эта масса тоже генерируется хиггсовским механизмом. Но в отличие от обычной материи — электронов и кварков — там никакой неопределенности нет, там все четко задано в теории. То есть теория просто четко может посчитать, например, отношение друг к другу масс этих частиц. Эта величина была посчитана и предсказана в 70-х годах. После этого начали экспериментально охотиться за этими W- и Z-бозонами. Их открыли и их массы совпадают с точностью 1-2% с предсказанием этой теории. Другие модели, которые дают такое же хорошее согласие, трудно придумать. Но, по-моему, они есть, то есть, в принципе, есть еще альтернативы. Это раз. Второе — частицы, которые еще не открыты, можно чувствовать, даже если вы их не видите. В квантовой механике есть такие виртуальные поправки — флуктуации тяжелых частиц, когда тяжелые частицы не рождаются, а на некоторое время в вакууме появляются, а потом снова исчезают (но это только слова, на самом деле, не надо визуально эту картинку себе представлять). Этот механизм влияет на свойства частиц и на реакции их рассеяния — ну, обычных частиц, протонов например. Эти поправки, корректирующие факторы, были посчитаны в рамках хиггсовской теории, и они вроде бы сходятся с экспериментом. То есть хиггсовский бозон еще не открыли, но его как бы уже косвенно чувствуют.