Иэн Сэмпл - В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Дальнейшие эксперименты показали, что катодные лучи представляли собой поток крошечных отрицательно заряженных частиц. Томсон назвал их электронами (термин, введенный ирландцем Джорджем Джонстоном Стоуни за двадцать лет до этого) и предположил, что они являются непременными элементами всех известных ученым атомов. Вдохновленный своим открытием, Томсон предложил модель атома, прозванную “сливовым пудингом”: в соответствии с ней атомы представляют собой положительно заряженные шарики, напичканные крошечными отрицательными частицами — электронами.

Но оказалось, что атомный “пудинг” Томсона не соответствовал тому, что сотворила природа 7 7 По поводу опровержения Резерфордом томсоновской атомной модели см. кн.: Richard Morris. The Last Sorcerers: The Path from Alchemy to the Periodic Table. Joseph Henry Press, 2003. . Идея развалилась, когда Эрнест Резерфорд, уроженец Новой Зеландии, объявил во всеуслышание, что атомы в основном — пустые! В 1911 году он уже точно знал, что почти вся масса атома сосредоточена в центральном положительном ядре. Позднее Резерфорд, исследуя атомное ядро, доказал существование внутри него положительно заряженных протонов.

В середине 1930-х годов физики были уверены, что знают все основные строительные блоки вещества. Итак, ядро атома состоит из протонов и незаряженных нейтронов — еще одного типа частиц (исключение из правил — атом водорода) 8 8 Нет атома проще, чем атом водорода. Он содержит ядро, состоящее из одного протона, и один электрон. . Нейтроны обнаружил в 1932 году английский физик Джеймс Чедвик 9 9 См. также кн.: Andrew Brown. The Neutron and the Bomb: A Biography of Sir James Chadwick. Oxford University Press, 1997. . Положительно заряженное ядро окружено отрицательно заряженными электронами, и в целом атом нейтрален. Это было правильным, но неполным представлением. Прошли годы, и ученые обнаружили, что протоны и нейтроны — вовсе не элементарные частицы! В отличие от электронов протоны и нейтроны построены из еще меньших частиц, названных кварками.

Однако физикам потребовалось довольно много времени, чтобы признать реальность кварков. Дело в том, что их никто и никогда не видел. Американские физики Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг выдвинули концепцию кварков в 1964 году, причем независимо друг от друга 10 10 Более подробно об истории кварков см. кн.: Andrew Watson. The Quantum Quark. Cambridge University Press, 2004, а также кн.: M. Y. Han. Quarks and Gluons, World Scientific, 1999. . Они поняли, что поведение протонов и нейтронов можно объяснить, если допустить, что каждый из них содержит тройку кварков. В 1966 году, когда Хиггс приехал в Принстон, эта теория еще была спорной. Потребовалось еще несколько лет, чтобы кварки стали считаться такими же элементарными частицами, как электроны.

Примерно за полвека после открытия электрона физики выявили около двухсот различных видов частиц, большинство из которых состояли из пары и триплета других субатомных частиц 11 11 Для более полного представления попробуйте прочитать кн.: Frank Close, Michael Marten and Christine Sutton. The Particle Odyssey: A Journey to the Heart of Matter. Oxford University Press, 2004. . “Размножение” частиц стало сбивать с толку, но в середине 1970-х была создана система, которая стала предметом особой гордости физики элементарных частиц. Эта система вошла в науку как Стандартная модель (название такое прозаическое, что даже обидно). Она постулирует, что вся известная материя, все вещество во Вселенной строится из всего лишь нескольких истинно элементарных частиц 12 12 Полную историю открытий, лежащих в основе Стандартной модели, можно найти в кн.: Hoddeson et al. 1999 (см. библиографию). .

Согласно Стандартной модели, существует двадцать четыре фундаментальных кирпичика, из которых строится вся материя. Среди них шесть типов (или ароматов) кварков (называемых верхними (up), нижними (down), истинными (top, truth), прелестными (beauty), очарованными (charm) и странными (strange), каждый из которых подразделяется на три вида в зависимости от свойства, известного как их цвет 13 13 Частицы вещества образуют три поколения, которые отличаются только массой. Первое поколение кварков — это верхние (up) и нижние (down) кварки, второе поколение включает в себя очарованные (charm) и странные (strange) кварки, а третье поколение — прелестные (beauty или bottom) и истинные (truth или top). В каком-то смысле второе и третье поколения кварков — это более тяжелые кузены кварков первого поколения. Первое поколение лептонов — это электроны и электронное нейтрино. Второе, более тяжелое, поколение включает в себя мюон и мюонное нейтрино. Третье поколение лептонов — тау-лептон и тау-нейтрино. Мюон и тау-лептон — тяжелые версии электрона. . Цвет может быть красным, зеленым или синим, но эти определения не имеют никакого отношения к визуальным ощущениям. Кварки различных цветов притягиваются друг к другу. Следующая шестерка типов частиц материи называется лептонами, они образуют семью, включающую в себя электроны и призрачные, почти безмассовые частицы, называемые нейтрино, которые проходят почти беспрепятственно через все, что встречают на своем пути. В нашей Вселенной вся известная нам стабильная материя построена из кварков и электронов.

Другие частицы, описываемые Стандартной моделью, не являются строительными блоками материи, они выполняют другую работу. Четыре из них, отвечающие за перенос взаимодействий, существующих в природе, называются бозонами 14 14 Частицы — переносчики взаимодействия в Стандартной модели — бозоны, а именно фотоны (электромагнитное взаимодействие), глюоны (сильное взаимодействие) и W- и Z-бозоны (слабое взаимодействие). Пятый в этом ряду — бозон Хиггса. Термин “бозоны” появился в честь индийского физика Сатиендра Нат Бозе. Более подробную информацию о Бозе см. в кн.: Satyendra Nath Bose: His Life and Times, edited by Kameshwar С Wali. World Scientific, 2009. . Мы не проваливаемся сквозь пол благодаря электромагнитному взаимодействию, которое переносится фотонами — квантами, “частицами света”. Внутри атомных ядер кварки склеиваются “сильным взаимодействием”, носителями которого являются частицы, метко названные глюонами (от английского glue — клей). Другие частицы, называемые W- и Z- бозонами, являются носителями сил, определяющих слабые взаимодействия, они вступают в дело, когда распадаются некоторые радиоактивные элементы 15 15 Из всех фундаментальных сил природы слабые силы, вероятно, наименее известны. Все частицы, за исключением глюонов и фотонов, ощущают действие слабых сил. Они действуют на столь коротких расстояниях, что по сути дела являются контактными. Слабая сила принимает участие в радиоактивном бета-распаде. когда радиоактивные элементы испускают электроны или позитроны высоких энергий. При обмене W-бозонами тип кварка может измениться, или — говоря иначе — изменится аромат. . Стандартную модель венчает еще одна частица, теоретически предсказанная Питером Хиггсом и названная в его честь бозоном Хиггса.