XVIII. Ароматы и генерации

Несмотря на то, что на остров Кварков тоже ведет железнодорожная ветка, он далеко не так густо населен, как остров Адрон. В отличие от него – а его покрывают мириады адронов – на острове Кварков всего шесть больших городов, где сосредоточена вся жизнь. Города называются Верхний и Нижний, Очарованный и Странный, Истинный (top) и Прелестный (bottom). Самый тяжелый – Прелестный кварк, он расположен на восточной оконечности острова, а Верхний и Нижний – самые легкие – находятся на западной оконечности.

Различные типы кварков называются ароматами. По измерениям адронов, которые состоят из кварков, мы знаем, на что они распадаются: так, нижний, странный и прелестный несут заряд «—1/3» от заряда протона, а остальные обладают зарядом «+2/3». Странный кварк получил свое название потому, что впервые был замечен как составная часть новой частицы в космических лучах. Очарованный кварк решил некоторые проблемы, связанные с одиночеством странного кварка, а также истинного и прелестного.

Примечательная особенность острова Кварков – распределение городов с запада на восток. Несмотря на то, что кварки, как нам известно, бесконечно малы, их массы охватывают огромный диапазон.

Верхний и нижний кварки – составляющие протонов и нейтронов, следовательно, они отвечают за образование ядер атомов. Каждый из этих кварков обладает массой в несколько МэВ, что всего лишь в четыре раза больше, чем у электрона. Однако масса кварков «завалена» дополнительной массой, которую они получают от энергии связи сильного взаимодействия – это величина до нескольких сотен МэВ (одна из причин, почему масса «голого» кварка известна не очень точно).

В принципе, эти два кварка вместе с электроном могли бы составить каждый атом во Вселенной. Удивительно, что природа скопировала их только в варианте с увеличенной массой. Более тяжелые кварки лежат дальше к востоку на нашей карте. Всего существует три «поколения» материи – три набора частиц, упорядоченных по схожей схеме. Так, верхний кварк, нижний кварк и электрон (со своим нейтрино) составляют первое поколение. Второе поколение состоит из странного и очарованного кварков и мюона (тоже со своим нейтрино). Кварки второго поколения – более массивные копии кварков первого поколения, а мюон – более массивная копия электрона. «Голая» масса странного кварка – около 5 МэВ, а очарованный гораздо массивнее – около 1,3 млрд эВ.

Третье поколение кварков еще тяжелее. Истинный кварк обладает массой в 4,2 млрд эВ. Прелестный кварк массивен уже до смешного – 172 млрд эВ. Это самая тяжеленная из всех фундаментальных частиц в стандартной модели. Из-за своей огромной массы истинный кварк распадается так быстро, что никогда не успевает стать связанным внутри адрона.

Массы кварков распределены довольно странно. Для верхнего, нижнего и странного они довольно близки. Массы очарованного и прелестного тоже не слишком далеки друг от друга, хотя и принадлежат разным поколениям. Но вот истинный кварк почему-то лежит очень далеко на востоке нашей карты. Истинный кварк – настоящий монстр, он почти в 200 раз тяжелее протона. В отличие от протона он должен быть самой фундаментальной, бесконечно крошечной частицей.

Есть несколько интригующих намеков на то, что количество поколений – три – это особое число, которое естественным образом возникает в более совершенной теории, включающей в себя стандартную модель. Во-первых, трех поколений достаточно, чтобы нарушить симметрию между веществом и антивеществом (то есть между северным и южным полушариями на нашей карте).

Путешествие по острову Кварков на поезде было быстрым и очень комфортным. Поскольку глюон переносит цветовой заряд, то существует даже железнодорожный мост в Бозонию – землю, которая однозначно входит в список мест, которые мы должны посетить. Кроме того, в Бозонии находится крупный аэропорт. Самолеты, иногда пролетающие над нашими головами, взлетают именно оттуда. Там нам готовы предложить заманчиво быстрый транспорт практически в любую точку на нашей карте. Как не воспользоваться такой возможностью!

Путешествие V

Парящие острова

Пары частиц и любители авиапутешествий.

•

Важность места посадки.

•

Беседа с космическими пришельцами, физика в зеркале и значение юга

XIX. Слабая сила

Стандартная модель включает в себя три фундаментальных взаимодействия – или три вида транспорта, курсирующих по тем землям, карту которых мы составляем. До сих пор мы использовали два из них. Электромагнетизм – это наши автомобильные трассы, соединяющие все частицы, которые обладают электрическим зарядом. Сильное взаимодействие – это густая железнодорожная сеть, окутывающая остров Адрон и остров Кварков. Авиалинии, которые мы обнаружили совсем недавно, и аэропорт в Бозонии – это силы слабого взаимодействия.

Слабое взаимодействие не очень-то проявляет себя в повседневной жизни. Сравнительно легко увидеть проявления эффектов электромагнитных сил с помощью фотона – бозона, переносящего электромагнитное взаимодействие. Сильное взаимодействие не так заметно, но играет ключевую роль в удержании атомного ядра. Немного сложнее указать, как именно проявляет себя слабое взаимодействие. Оно «работает» на таком коротком расстоянии, что его влияние не ощущается непосредственно, даже на малых расстояниях, сравнимых с радиусом протона. Из-за того, что слабое взаимодействие дает о себе знать только на таких коротких расстояниях, пришлось проникнуть еще дальше на восток, чем мы забирались до сих пор. Аэродром находится у самой кромки нашей карты.

Тем не менее, слабое взаимодействие – важнейшая составляющая стандартной модели физики частиц. Дело в том, что без слабого взаимодействия кварки не могли бы менять аромат. Это означает, что нейтроны не смогли бы превращаться в протоны. А это, в свою очередь, означает, что Солнце не смогло бы светить, так как основа его энергии – это процесс слияния четырех протонов в гелий, при котором два из этих протонов превращаются в нейтроны.

Таким образом, несмотря на свою слабость, эта сила – неотъемлемая часть нашего миропорядка. Слабое взаимодействие в действительности ничего не связывает между собой, как это делают автострады и железные дороги. Этому взаимодействию не нужна среда обитания, подобно земле Атома или острову Адрон.

Будучи сетью воздушных сообщений, слабое взаимодействие создает незримые воздушные мосты повсеместного соединения любых точек на нашей карте, где только может совершить посадку самолет.

Бозоны, управляющие перелетами и переносящие слабое взаимодействие, – это W и Z. W-бозон обладает электрическим зарядом, который может быть и положительным (W⁺), и отрицательным (W^—). Z-бозон электрически нейтрален. Подобно глюонам, несущим цветовой заряд, но в отличие от фотона, который электрически нейтрален, W- и Z-бозоны переносят эквивалент заряда в слабом взаимодействии, или «слабый заряд».

Каждое поселение на карте – то есть каждая фундаментальная частица – имеет свой аэродром. Все они подвержены слабому взаимодействию, но некоторые в большей степени, чем другие. В частности, воздушные рейсы между некоторыми парами частиц всегда заполнены до отказа. Это одна из нескольких удивительных характеристик слабого взаимодействия, которая отличает его от электромагнетизма и сильного взаимодействия.

Теория электромагнетизма – КЭД – говорит нам, как электрон (или любая другая частица с электрическим зарядом) может испускать фотон. Теория слабого взаимодействия говорит нам, как электрон (или любая другая частица, обладающая слабым зарядом) может испускать Z– или W-бозоны. Теория утверждает, что испускание Z-бозона очень похоже на испускание фотона. Однако когда испускается W-бозон, ситуация несколько отличается, потому что у этого бозона есть электрический заряд.

Когда электрон излучает W-бозон, то он теряет свой электрический заряд и превращается в нейтрино. Порт Электрон и его таинственное нейтрино общаются посредством специального воздушного маршрута, проложенного между ними. Они образуют пару, или дублет. Точно так же и мюон может испустить W-бозон и превратиться в мюонное нейтрино, а тау-лептон, испустив W-бозон, превращается в тау-нейтрино.

Заметьте, что электрический заряд при таких превращениях сохраняется: в каждом случае отрицательный заряд лептона уносится W-бозоном, а нейтрино, расположенное в труднодоступном районе острова Лептонов, нейтрально.

С воздуха такая же картина наблюдается и на острове Кварков. Испускание отрицательно заряженного W-бозона превратит нижний кварк в верхний, потому что они образуют дублет. Аналогично странный кварк превратится в очарованный, а прелестный – в истинный.

Такая способность превращать одни частицы внутри дублетов в другие – уникальная особенность слабого взаимодействия, и это очень важно. Без такого превращения, к примеру, истинные кварки, рожденные при Большом взрыве в ранней Вселенной, до сих пор оставались бы с нами, и не было бы никакого способа от них избавиться. Слабое взаимодействие несет ответственность за то, что одиночные нейтроны распадаются через несколько минут – нижний кварк превращается в верхний, испуская W-бозон. Потом W-бозон распадается на электрон и электронное антинейтрино.