XXI. Смешанные сообщения

Изучение воздушных маршрутов слабого взаимодействия между островами Лептонов и Кварков показало, что частицы, связанные этой силой, всегда представлены парами, или дублетами. Так, каждый лептон составляет дублет с нейтрино, верхний кварк – с нижним, очарованный – со странным, прелестный – с истинным. W-бозон обеспечивает прямую связь между двумя частицами в дублете, и это позволяет истинному кварку распадаться на прелестный кварк, а нейтрону – на протон за счет превращения нижнего кварка в верхний.

До сих пор все шло хорошо. Но по мере того, как мы становимся опытными летчиками, мы начинаем замечать более тонкие эффекты. Истинный кварк распадается на прелестный кварк, потому что они составляют дублет. Но прелестный кварк тоже распадается – на более легкие кварки, хотя они находятся в разных дублетах. Так поступают все более тяжелые кварки и лептоны. Стабильное вещество во Вселенной состоит из электронов и кварков, верхнего и нижнего, которые находятся внутри каждого атомного ядра. Это имеет смысл, потому что тяжелые частицы, если смогут, будут распадаться на более легкие. Здесь ключевое – «если смогут». Что позволяет проложить воздушные маршруты на запад? Это тоже прерогатива слабого взаимодействия, но здесь вступают в игру более тонкие эффекты.

По мере того, как мы путешествуем, нам становится ясно одно необычное обстоятельство: аэропорты для слабого взаимодействия расположены не совсем в городах. Нужно предпринять короткую поездку из аэропорта, расположенного вблизи странного кварка, к самому городу Странному – и именно эта дорога всегда самая загруженная. Однако можно перейти непосредственно к нижнему кварку прямо оттуда или даже от прелестного кварка. Такой переход может оказаться более длинным, и основная часть пассажиров предпочитают не использовать этот вариант. Пассажиры летят в аэропорт Странный и сразу отправляются в город. Но вместо этого можно отправиться в Нижний или Прелестный непосредственно из аэропорта в Странном, и некоторые пассажиры так и поступают.

С точки зрения нашей карты, есть два способа взглянуть на поселения на островах Лептонов и Кварков. С точки зрения самих жителей, главное – это города. На острове Кварков это города Верхний и Нижний, Очарованный и Странный, Истинный и Прелестный. Каждый из этих кварков обладает определенной массой, самый тяжелый – истинный, самые легкие – нижний и верхний.

Однако с точки зрения пилота авиакомпании – W-бозона слабого взаимодействия – узловые точки островов – это аэропорты. На Нижнем, Странном и Прелестном аэропорты расположены не в городах, а поблизости от них. Но, как мы уже говорили, можно лететь в аэропорт около Нижнего, а можно лететь непосредственно в Странный или Прелестный. А чтобы было ясно, что аэропорты находятся вблизи городов, они названы штрих-Нижний, штрих-Странный и штрих-Прелестный. Авиалинии соединяют именно эти аэропорты, а не сами города Нижний, Странный и Прелестный.

Все сказанное имеет решающее значение для понимания того, почему стабильная материя во Вселенной состоит только из верхних и нижних кварков. Чтобы понять причину такого размещения аэропортов на нашей карте, нам придется вернуться к идее квантового состояния. Квантовое состояние – это объект, который несет всю информацию о частице или наборе частиц. Информацию можно извлечь несколькими разными способами, которые иногда кажутся противоречивыми. Они могут даже разойтись по главному вопросу – какую частицу данное квантовое состояние описывает. С точки зрения картографа, оба взгляда – с точки зрения и городов, и аэропортов – эквивалентны, потому что в любом случае охватывают все острова. В действительности, стандартная модель делает с кварками то же самое. Так, если у вас есть квантовое состояние, описывающее некоторые кварки, то вы можете проанализировать его как состоящее из определенного количества нижних, части странных и нескольких истинных кварков. Это имеет смысл, и поскольку у всех этих кварков массы различны, то именно так они и появляются в адронах. Однако слабое взаимодействие воспринимает все эти кварки иначе (как всегда, неудобно). Слабое взаимодействие расщепляет квантовое состояние иначе, на другой набор «первичных» частиц. Это различные ароматы кварков, которые могут быть получены при распаде W-бозона. Мы называем их d’, s’ и b’. У них нет определенной массы, но это такие частицы, которые «видит» слабое взаимодействие. Мы не знаем, почему так происходит (точно так же мы не знаем, почему слабое взаимодействие «видит» только левосторонние частицы!), но это так, и это хорошо, потому что имеет важные последствия.

Штрих-Странный кварк почти такой же, как сам странный кварк. Отличие первого в том, что у него есть небольшая примесь нижнего и прелестного кварков. Это похоже на следующую ситуацию. Пусть мы выбрали нескольких жителей города Странного и спросили их, где они живут. Они все, конечно, ответили, что в городе Странном. Но потом мы спросили их, в каком аэропорту они приземлись. Достаточно разумно предположить, что большинство из них воспользовались ближайшим аэропортом штрих-Странный. Но некоторые из опрошенных прилетели из Прелестного-главного, а еще несколько – из Нижнего-главного. Точно так же, если мы зададим вопрос пассажирам, прилетевшим в заполненном самолете в штрих-Странный, в какой город они направляются, большинство скажут, что в город Странный, но некоторые скажут – в город Прелестный, а некоторые – в город Нижний.

Когда кварк путешествует по пространству и формирует адрон, то для него выбирается определенная масса – это и есть город, которому он принадлежит. Но W-бозон, который распадается, не производит странные кварки в чистом виде – он производит штрих-странный кварк (который есть аэропорт, в котором он приземляется). И у штрих-странного кварка есть небольшая вероятность оказаться нижним кварком или прелестным кварком. Или, продолжая использовать наши аналогии, заметим, что некоторые из пассажиров, приземляющихся в аэропорту штрих-Странный, на самом деле живут в городах Нижний и Прелестный.

Такова реальность, которая стоит за тем, что мы наблюдаем на нашей карте. Даже если мы приземляемся в аэропорту штрих-Странный, то мы могли бы (иногда, не часто) вместо города Странного отправиться прямо в город Нижний или в Прелестный.

Эти крошечные, но очень важные вероятности позволяют разным поколениям общаться при помощи слабого взаимодействия. Это взаимодействие позволяет более тяжелым частицам второго и третьего поколения распадаться со временем (а иногда и довольно быстро) до более легких частиц первого поколения.

Таким образом, слабое взаимодействие прокладывает маршруты на запад от Верхнего, Прелестного, Очарованного и Странного к Верхнему и Нижнему. И именно поэтому Вселенная не наполнена атомами, ядра которых состоят только из очарованных или странных кварков.