Кварки и лептоны – это мельчайшие из известных нам субатомных частиц. Но допускает ли Стандартная модель существование ещё более глубокого уровня материи?
Вопрос о фундаментальной природе материи занимал умы людей еще 2500 лет назад. Греческие философы Демокрит и его наставник Левкипп выдвинули модель, наиболее близкую к той, что принята современной наукой. Они предположили, что в основе мироздания лежат мельчайшие неделимые частицы – atomos – атомы (от греческого “неделимый”).
Важно отметить, что атомы древних греков отличаются от того, что мы сегодня называем атомами. Термин “атом” должен был описывать мельчайший строительный блок материи. Сегодня же мы знаем, что атомы состоят из еще более мелких частиц: протонов, нейтронов и электронов. Более того, начиная с 1964 года, учёные осознали, что протоны и нейтроны сами состоят из ещё более мелких частиц, называемых кварками. Электрон, по-видимому, не имеет более мелких компонентов и относится к классу частиц, называемых лептонами. Существует два типа лептонов: с электрическим зарядом и электрически нейтральные. Нейтральные лептоны называются нейтрино.
В настоящее время известно шесть типов кварков с весьма необычными названиями: верхний, нижний, очарованный, странный, истинный и прелестный. Верхние и нижние кварки находятся внутри протонов и нейтронов: протоны (верхний, верхний, нижний) и нейтроны (верхний, нижний, нижний). Существует также шесть типов лептонов, три с электрическим зарядом и три нейтральных. Три заряженных лептона – это электрон, мюон и тау-лептон. Три нейтральных лептона – это электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино.
Кварки и лептоны можно организовать таким образом, чтобы выявить определенную закономерность. Присвоим протону электрический заряд +1, электрону – заряд -1, а нейтрону – заряд 0. В этой системе верхний, очарованный и истинный кварки имеют заряд +2/3. Нижний, странный и прелестный кварки имеют заряд -1/3. Электрон, мюон и тау-лептон имеют заряд -1, а все нейтрино имеют нулевой заряд.
Частицы затем можно сгруппировать в три различных семейства, называемых “поколениями”. Первое поколение содержит верхний и нижний кварки, электрон и электронное нейтрино. Второе поколение содержит очарованный и странный кварки, мюон и мюонное нейтрино. Наконец, третье поколение содержит истинный и прелестный кварки, тау-лептон и тау-нейтрино.
Вся обычная материя может быть построена из частиц первого поколения. Частицы второго и третьего поколений нестабильны и быстро распадаются на частицы первого поколения. Они также прогрессивно массивнее, чем частицы первого поколения.
Происхождение этой закономерности пока не объяснено. Почему существует три поколения материи, если наша Вселенная, по-видимому, состоит только из частиц первого поколения? Это один из главных нерешенных вопросов физики.
Хотя у ученых пока нет ответа на этот вопрос, некоторые исследователи считают, что эта закономерность свидетельствует о существовании частиц меньше кварков и лептонов.
Исторические аналогии
История учит нас, что необъяснимая закономерность в субатомной физике часто может быть объяснена наличием более мелких частиц. Например, в 1869 году Дмитрий Менделеев создал периодическую таблицу химических элементов. Он расположил элементы с похожими химическими свойствами в столбцы. Элементы в первых рядах легче и становятся тяжелее в следующих рядах.
Ученые в конце 19 века не могли объяснить закономерность, которую они видели в периодической таблице. Однако сегодня мы понимаем, почему. Элементы в каждом столбце имели схожие химические свойства, потому что у них были схожие конфигурации электронов. Так, щелочные металлы (например, водород, литий, натрий и калий) являются химически активными из-за неспаренного электрона на их внешней орбитали. Напротив, благородные газы (например, гелий, неон, аргон, криптон и ксенон) химически инертны, потому что их орбитали заполнены, и им не хватает электронов для взаимодействия с другими атомами.
Увеличение массы при переходе от верхних к нижним рядам периодической таблицы обусловлено неуклонно увеличивающимся числом протонов и нейтронов. Короче говоря, закономерности в периодической таблице, которые были необъяснимы в конце 19 века, получили полное объяснение в начале 20 века, когда была открыта структура атома.
Существует еще один похожий, но менее известный, пример закономерностей в субатомной физике, намекающий на более позднее открытие подструктуры. Эти закономерности наблюдались с середины 1940-х до середины 1960-х годов, в эпоху, когда физики обнаружили то, что они назвали “зоопарком частиц”. Используя ускорители частиц, физики сталкивали протоны или электроны с мишенями и создавали никогда ранее не наблюдавшиеся частицы. Были обнаружены сотни различных видов частиц. Эти частицы обладали целым рядом свойств – различными электрическими зарядами, временем жизни, массами, спинами и таинственным свойством, получившим название “странность”.
Странность приписывалась частицам, которые было легко получить, но которые медленно распадались. Частица со странностью 1 распадалась бы на обычные частицы. Частица со странностью 2 распадалась бы на странные частицы, которые затем распадались бы на обычные частицы.
Когда исследователи расположили частицы, обнаруженные в середине 20-го века, используя в качестве организующих параметров заряд и странность, в результате получились геометрические узоры. Эти узоры были объяснены введением кварков. Различные комбинации верхнего, нижнего и странного кварков порождали геометрические узоры.
Кварковая и лептонная структура
В настоящее время закономерности, наблюдаемые в кварках и лептонах, остаются необъяснёнными, но, учитывая уроки истории, представляется разумным выдвинуть гипотезу о том, что кварки и лептоны могут сами состоять из еще более мелких частиц. Уже придумали даже название для этих пока неоткрытых и полностью гипотетических частиц. Их называют преонами.
Существует множество различных моделей преонов, но ни одна из них не подтверждена. Более того, есть основания сомневаться в существовании преонов.
Первая причина заключается в том, что размер кварков и лептонов не наблюдался. Это не значит, что мы ничего не знаем. Мы использовали самые мощные микроскопы в попытках получить их изображение. Наименьший размер, который могут различить такие микроскопы, примерно в 1000 раз меньше размера протона. Эти измерения не показали никакого размера, следовательно, мы знаем, что кварки и лептоны должны быть меньше, чем примерно 10^-18 метра. Если преоны находятся внутри кварков и лептонов, то они должны быть еще меньше.
Кроме того, законы квантовой механики создают проблему для объектов такого размера. Принцип неопределённости Гейзенберга гласит, что мы не можем одновременно знать местоположение и импульс объекта. Если мы точно знаем одно, то другое мы знаем очень приблизительно. Если мы ограничим размер преонов объектами размером 10^-18 метра, то мы будем мало знать об их движении. Они могут двигаться очень быстро, а это значит, что они могут обладать огромной энергией.
Используя уравнение Эйнштейна E=mc^2, это означает, что преоны должны иметь массу, превышающую массу протона более чем в 1000 раз. Учитывая, что верхний кварк имеет массу примерно в 0,003 раза меньше массы протона, мы приходим к очень странной ситуации, когда объект с массой в 0,003 раза меньше массы протона содержит внутри себя по крайней мере один объект с массой в 1000 раз больше массы протона.
Это звучит абсурдно, но это не невозможно. Вероятно, существует большая и отрицательная энергия связи, удерживающая преоны вместе. Если это так, то отрицательная энергия связи может компенсировать большую положительную энергию массы преонов. Но все это на данный момент лишь предположения. Вся идея преонов может быть ошибочной. Более того, идея преонов не пользуется популярностью в физическом сообществе.
Однако вопрос о том, почему существуют закономерности в семействах кварков и лептонов, остаётся полной загадкой. Эти закономерности говорят нам о чём-то, но потребуется гениальная идея (и некоторая хорошая экспериментальная работа), чтобы понять, о чём именно.
Читайте также: Доказательство существования субатомной частицы, предсказанной Ферми
