что такое гипотетическая частица
Элементарные частицы. Тайны природы, которые нам предстоит открыть
Открытие «невидимых» элементарных частиц положило начало современной физике. В ней всё время совершаются новые грандиозные прорывы: например, подтвердилось существование бозона Хиггса. Знать, что такое лептоны, кварки и бозоны, очень важно для понимания актуальной картины мира. Мы собрали базовые знания по физике элементарных частиц, которые пригодятся всем.
В конце XVIII — начале XIX века физики были твердо убеждены, что в их науке больше нечего исследовать и никаких прорывов в ней не предвидится. Однако прошло всего полвека, и в научных журналах стали появляться статьи, описывавшие необъяснимые результаты экспериментов. То Рентген откроет лучи, которые проникают через стекло и отклоняются в магнитном поле, то Беккерель засветит фотопластинку минералом урана… Эти явления заставили людей задуматься о том, что атомный мир намного сложнее, чем они думали.
Свойства волны и частицы во многом противоположны. Например, частица, ударяясь о препятствие, отскакивает, а волна может его огибать. Показателен в этом плане эксперимент Томаса Юнга, в котором ученый пропускал свет через две узкие щели. Казалось бы, если фотоны (еще одна элементарная частица, квант света) — это частицы, то они должны проходить через щель и оставлять на экране за ней две полосы. Но оказалось, что полос гораздо больше! Всё это легко объяснимо, если принять, что фотон — это волна, а волнам свойственно огибать препятствия (это явление называется дифракцией). Как рябь на воде огибает камень, так и электромагнитные волны могут «обходить» встречающиеся на их пути преграды.
Какие бывают элементарные частицы
С каждым витком развития науки люди стремились поделить вещество на мельчайшие части, чтобы понять, как оно устроено. Оказалось, что вся материя, которая нас окружает, похожа на матрешку с четырьмя оболочками:
Последняя «оболочка» была открыта не так давно и на данный момент считается самой маленькой. Она включает в себя все элементарные или фундаментальные частицы.
Да, их очень много — но так даже интереснее. Со времен открытия электрона ученые обнаружили огромное количество фундаментальных частиц и разделили их на две большие группы: фермионы (от фамилии итальянского физика Энрико Ферми) и бозоны (в честь индийского физика Сатьендры Нат Бозе).
Все частицы Стандартной модели, собранные в подобие системы Менделеева. Справа — бозоны, слева — фермионы
Элементарные частицы, в отличие от атомов, — это не всегда реально существующие объекты. Это, скорее, модели, созданные для описания разных видов взаимодействий и свойств материи.
Например, электромагнитное взаимодействие передается с помощью фотонов, ядро атома находится в стабильном состоянии благодаря мезонам — частицам, удерживающим протоны и нейтроны.
Физики выделяют разные виды взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное, гравитационное) и типы материи (атомы, антиматерия, темная материя, излучения). Чтобы изучить их свойства, нужно подробно описать их природу.
Во второй половине ХХ века группа ученых создала теорию под названием «Стандартная модель». Она помогла систематизировать большое количество открытых на тот момент элементарных частиц и соотнести каждую со своим видом материи или взаимодействия. Сейчас эта теория считается завершенной и включает 17 видов элементарных частиц, вместе описывающих 3 фундаментальных взаимодействия и некоторую часть известных видов материи. Однако Стандартная модель описывает далеко не всё. Например, в ее рамках нельзя описать силу гравитации, и ученые до сих пор ломают голову над тем, как бы ее объяснить.
Чтобы разобраться в мире элементарных частиц, мы расскажем обо всех 17 частицах Стандартной модели, разделив их на две большие группы: фермионы и бозоны.
I. Фермионы
В этот класс входят 12 обычных частиц и столько же античастиц. Они противоположны по заряду: например, античастица отрицательно заряженного электрона — это положительно заряженный позитрон.
Эти 12 частиц, в свою очередь, можно поделить на две группы по 6 штук: кварки и лептоны.
Как устроен атом
Атом состоит из ядра, в котором сосредоточено более 99 % его массы, и электронной оболочки, окружающей его, как облако. Электроны, составляющие внешнюю оболочку, — это элементарные частицы. Ядро же состоит из протонов и нейтронов (вместе они называются нуклонами). Протоны заряжены положительно, чтобы компенсировать отрицательный заряд электронов на внешней оболочке, а нейтроны, как следует из названия, вообще не имеют заряда и «склеивают» ядро, не давая ему распасться (как это происходит с радиоактивными элементами).
Долгое время протоны и нейтроны считались неделимыми, но они слишком большие для элементарных частиц. Позже ученые установили, что каждая из них состоит из трех кварков.
Кварки — любители ходить в парах
В отличие от электронов кварки не могут существовать в свободном состоянии и соединяются в пары. Эти пары называются мезонами — это частицы, которые перемещаются между протонами и нейтронами и удерживают ядро в стабильном состоянии. Три кварка образуют нуклоны — протон или нейтрон. Частицы, состоящие из четырех или пяти кварков, являются экзотическими и отчасти вызывают гравитационное взаимодействие между телами.
Лептоны — одиночки
Лептоны похожи на волков-одиночек, и самый влиятельный и могущественный среди них (прямо как волк с Уолл-стрит) — электрон, самый распространенный и наиболее изученный лептон.
Долгое время ученые не могли понять, в чем «сила» электрона. В конце концов они нашли этому одно разумное объяснение: электрон — это единственная стабильная заряженная частица из своего класса. Остальные 5 заряженных лептонов не существуют дольше 2 микросекунд: они либо распадаются на несколько более мелких частиц, либо, наоборот, соединяются в одну более крупную.
Нейтрино — неуловимые лептоны
Еще один вид лептонов — нейтрино, практически неуловимые частицы, которые движутся в космосе со скоростью света. Еще с середины ХХ века проводятся эксперименты, чтобы их поймать и изучить. Многое в этих «неуловимых» частицах уже исследовано, и ученые даже пытались создать коммуникацию с их помощью, но идея осталась лишь в планах. Нейтрино могут быть индикаторами различных процессов, происходящих в ядрах звезд. Например, в нашем Солнце протекает множество термоядерных реакций каждую секунду, и практически каждая такая реакция выделяет хотя бы одно нейтрино.
Нейтрино бывают нескольких видов: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Все эти названия взяты не с потолка.
Каждое нейтрино соответствует своему лептону (электрону, мюону, тау-лептону), так как напоминает его по своим квантовым характеристикам. Разные виды этих частиц, двигаясь совместно, могут переходить друг в друга — это называется нейтринной осцилляцией.
Итак, фермионы бывают двух видов: кварки и лептоны. Первые могут существовать только группами, а вторые — только по отдельности. Первые входят в состав ядер атомов, вторые — в состав электронных оболочек этих атомов.
А теперь мы переходим ко второй, не менее интересной группе элементарных частиц — бозонам. Готовы спорить, что она у вас на слуху благодаря одному известному ее представителю.
II. Бозоны
Невольно возникает вопрос: а чем фермионы отличаются от бозонов? Всё дело в квантовой характеристике — спи́не. У фермионов он дробный: чтобы при повороте в пространстве частица стала симметричной себе, надо повернуть ее больше чем на один полный оборот. А у бозонов спин целый — то есть либо они одинаковы, как ни крути, либо для совмещения самих с собой в пространстве их нужно повернуть на 180 или 360 градусов.
Спин обуславливает обменное взаимодействие элементарных частиц, когда между двумя одинаково заряженными частицами может возникать связь (это свойство исчезает при переходе к большим системам). Если по законам классической механики два электрона должны отталкиваться, то квантовая механика «разрешает» им находиться относительно близко друг от друга — на одной орбитали.
Траектории движения элементарных частиц, образующихся в результате столкновения двух протонов
Бозоны, слава богу, не делятся ни на какие группы. В Стандартной модели их выделяют всего пять: фотон, W-бозон, Z-бозон, глюон и бозон Хиггса. С фотоном мы уже знакомы, его функция — переносить электромагнитное возбуждение (то есть свет разного диапазона длин волн). W- и Z-бозоны — это своего рода волшебные палочки. W-бозоны переносят электрический заряд, понижая или повышая его у выбранной цели, и могут превращать один вид кварков в другой. Z-бозоны помогают передавать импульс и спин от одной частицы к другой при их столкновении.
Выделяют 8 типов глюонов.
Глюоны напоминают кварки и фотоны одновременно: их никогда не видели в свободном состоянии, они не имеют заряда и в теории не обладают массой. Глюоны отвечают за передачу между кварками квантовой характеристики, называемой цветом (общее с теми цветами, которые мы видим, — только название).
Последний тип — бозоны Хиггса — очень странная вещь. Они существовали лишь теоретически, их долго не могли обнаружить, однако в 2012 году это удалось сделать с помощью Большого адронного коллайдера (БАК).
Бозон Хиггса обуславливает массы всех элементарных частиц. Его открытие завершило Стандартную модель.
Она описывает 3 вида взаимодействий: электромагнитное, сильное (между нуклонами в ядре атома) и слабое, но ее нельзя считать Теорией всего, так как она не описывает, например, гравитационное взаимодействие, темную материю и энергию. Так что у физики большое и светлое будущее.
Итак, бозоны переносят различные виды взаимодействий. Они имеют целочисленный спин и различаются между собой массой и свойствами. Существование всех этих частиц ученые уже доказали с помощью БАК.
Составные частицы
Фермионы и бозоны — это лишь основа всей физики элементарных частиц. Соединяясь, они образуют что-то вроде молекул. Это очень похоже на химическую реакцию: две элементарные частицы могут соединяться друг с другом, как и химические вещества.
Самый известный вид составных частиц — адроны. Их делят на два вида: барионы и мезоны. Барионы — это частицы, состоящие из кварков, в том числе протоны и нейтроны; мезоны переносят взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов.
Физика элементарных частиц невероятно разнообразна. Кроме перечисленных основных классов выделяют также квазичастицы («почти»-частицы), которые формально не существуют: человек придумал их для описания различных природных процессов. Кроме того, есть много гипотетических частиц, существование которых экспериментально не подтверждено.
Сегодня мы знаем Вселенную едва ли на 0,1 %. С помощью физики мы пытаемся расширить границы познания и описать всё, что нам непонятно. Но каждый новый шаг вперед всё труднее: если пять лет назад вы были на острие прогресса и понимали всё, что происходит в вашей науке, то сегодня она вас озадачит своей сложностью и запутанностью.
Однако сложность добавляет физике прелесть и очарование, которое притягивает новые пытливые умы. С помощью них мы, быть может, скоро создадим Теорию всего и постигнем все тайны мироздания.
А потом природа преподнесет нам сюрприз, и окажется, что всё, что мы знали, — полная туфта.
Гипотетическая частица
Это список частиц в физике элементарных частиц, включающий не только открытые, но и гипотетические элементарные частицы, а также составные частицы, состоящие из элементарных частиц.
Содержание
Элементарные частицы
Стандартная модель
Фермионы
У всех кварков есть также электрический заряд, кратный 1/3 элементарного заряда. В каждом поколении один кварк имеет электрический заряд +2/3 (это u-, c- и t-кварки) и один — заряд −1/3 (d-, s- и b-кварки); у антикварков заряды противоположны по знаку. Кроме сильного и электромагнитного взаимодействия, кварки участвуют в слабом взаимодействии.
Массы нейтрино не равны нулю (это подтверждается существованием нейтринных осцилляций), но настолько малы, что не были измерены напрямую на 2011 год.
Бозоны
| Название | Заряд (e) | Спин | Масса (ГэВ) | Переносимое взаимодействие |
| Фотон | 0 | 1 | 0 | Электромагнитное взаимодействие |
| W ± | ±1 | 1 | 80,4 | Слабое взаимодействие |
| Z 0 | 0 | 1 | 91,2 | Слабое взаимодействие |
| Глюон | 0 | 1 | 0 | Сильное взаимодействие |
| Бозон Хиггса | 0 | 0 | ≈125 | Поле Хиггса |
Триплон — триплетное возбужденное состояние [5]
Гипотетические частицы
Суперсимметричные теории, расширяющие Стандартную модель, предсказывают существование новых частиц (суперсимметричных партнёров частиц Стандартной модели), но ни одна из них не была экспериментально подтверждена (на февраль 2021 года).
Кроме того, в других моделях вводятся следующие пока не зарегистрированные частицы:
Составные частицы
Адроны
Адроны определяются как сильно взаимодействующие составные частицы. Адроны состоят из кварков и делятся на 2 категории:
Кварковые модели, впервые предложенные в 1964 году независимо Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом (который назвал кварки «тузами»), описывают известные адроны как составленные из свободных (валентных) кварков и/или антикварков, крепко связанных сильным взаимодействием, которое переносится глюонами. В каждом адроне также содержится «море» виртуальных кварк-антикварковых пар.
Резонанс (резонон [15] ) — элементарная частица, представляющая собой возбуждённое состояние адрона.
Барионы (фермионы)
Обычные барионы (фермионы) содержат каждый три валентных кварка или три валентных антикварка.
Недавно были найдены признаки существования экзотических барионов, содержащих пять валентных кварков; однако были сообщения и об отрицательных результатах. Вопрос их существования остаётся открытым.
Мезоны (бозоны)
Обычные мезоны содержат валентный кварк и валентный антикварк. В их число входят пион, каон, J/ψ-мезон и многие другие типы мезонов. В моделях ядерных сил взаимодействие между нуклонами переносится мезонами.
Могут существовать также экзотические мезоны (их существование всё ещё под вопросом):
Мезоны с нулевым спином формируют нонет.
Атомные ядра
Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, связанных сильным взаимодействием. Каждый тип ядра содержит строго определённое число протонов и строго определённое число нейтронов и называется нуклидом или изотопом. В настоящее время известно более 3000 нуклидов, из которых в природе встречается лишь около 300 (см. таблицу нуклидов). Ядерные реакции и радиоактивный распад могут превращать один нуклид в другой.
Некоторые ядра имеют собственные названия. Кроме протона (см. выше), собственными названиями обладают:
Атомы
Атомы — самые маленькие частицы, на которые материя может быть разделена с помощью химических реакций. Атом состоит из маленького тяжёлого положительно заряженного ядра, окружённого относительно большим лёгким облаком электронов. Каждый тип атома соответствует определённому химическому элементу, 118 из которых имеют официальное название (см. Периодическую систему элементов).
Существуют также короткоживущие экзотические атомы, в которых роль ядра (положительно заряженной частицы) выполняет позитрон (позитроний) или положительный мюон (мюоний). Имеются также атомы с отрицательным мюоном вместо одного из электронов (мюонный атом). Химические свойства атома определяются количеством электронов в нём, которое, в свою очередь, зависит от заряда его ядра. Все нейтральные атомы с одинаковым зарядом ядра (то есть с одинаковым количеством протонов в ядре) химически идентичны и представляют один и тот же химический элемент, хотя их масса может отличаться из-за различного количества нейтронов в ядре (такие атомы с различным числом нейтронов в ядре представляют различные изотопы одного элемента). В нейтральных атомах число электронов равно числу протонов в ядре. Атомы, лишённые одного или нескольких электронов (ионизованные), называются положительными ионами (катионами); атомы с лишними электронами называются отрицательными ионами (анионами).
Молекулы
Молекулы — самые маленькие частицы вещества, ещё сохраняющие его химические свойства. Каждый тип молекулы соответствует химическому веществу. Молекулы состоят из двух или более атомов. Молекулы являются нейтральными частицами.
Квазичастицы
Первый привет от темной материи? Действительно ли физики открыли новую фундаментальную частицу
В конце прошлой недели мировые СМИ сообщили о результатах, полученных в ходе эксперимента XENON1T в итальянской исследовательской лаборатории Gran Sasso. Эти результаты могут означать, что впервые зарегистрированы частицы так называемой темной материи — неуловимого вещества, составляющего 4/5 всей материи Вселенной, о природе которого, тем не менее, физики на сегодняшней день практически не имеют никаких данных. Если бы этот результат подтвердился, он вполне мог бы оправдать сенсационно звучащие заголовки, упоминающие «Святой Грааль». Однако дают ли опубликованные данные достаточно поводов для заявлений об открытии?
Национальная лаборатория Гран-Сассо в Италии — детектор элементарных частиц, расположенный под горным массивом на глубине полутора километров. Установка предназначена для регистрации частиц темной материи. Эти частицы, как предполагается, почти не взаимодействуют с обычной материей, а потому, когда такие взаимодействия происходят, их довольно сложно обнаружить на фоне других событий — к примеру, регистрации частиц обычной материи, прилетающих от Солнца или из глубин космоса. Именно поэтому для успеха эксперимента детектор было необходимо разместить на большой глубине под землей.
За время существования лаборатории в ней было проведено несколько экспериментов по регистрации частиц темной материи, и XENON1T — последний из этой серии. Первоначально предполагалось, что эти частицы представляют собой так называемые WIMP («слабо взаимодействующие массивные частицы»). Такие частицы могли бы иногда сталкиваться с ядрами ксенона в детекторе (который, собственно, представляет собой бак с 3,2 т жидкого ксенона) и производить вспышки света, которые и регистрируются приборами. Однако 14 лет наблюдений не дали результата: столкновения гипотетических частиц с ядрами явно не происходили с той частотой, какую можно было ожидать на основании теоретических моделей темной материи, состоящей из WIMP.
Поэтому несколько лет назад исследователи решили обратить внимание на другой тип событий: частицы, значительно более легкие, чем WIMP, могли бы сталкиваться не с ядрами ксенона, а с электронами. Подобные события действительно наблюдались, однако первоначально исследователи списывали их на радиоактивные загрязнения. Тем не менее, на определенном этапе была достигнуто настолько высокая чистота рабочего вещества, что стало возможным количественно оценить вклад событий, необъяснимых с точки зрения привычной физики.
На первый взгляд полученный результат не выглядит сенсационным: известные физические процессы могли дать в среднем 232 события «электронного отскока» (electronic recoil), тогда как в реальности их зарегистрировано 285. Однако излишек в 53 события на статистическом языке называются «отклонением в 3 сигмы» — вероятность случайной флуктуации не превосходит 0,2%, и это позволяет говорить о получении физически значимого результата.
Согласно интерпретации авторов, существует три возможных объяснения. Первое из них выглядит наиболее амбициозно и действительно может означать революцию в физике. По этой гипотезе, в эксперименте были зарегистрированы исходящие от Солнца аксионы — гипотетические частицы, постулированные некоторыми физическими моделями, однако не являющиеся частью общепринятых теорий в физике элементарных частиц. Если аксионы действительно существуют, они должны быть немного похожи на фотоны (хотя, в отличие от фотонов, обладают небольшой массой) и рождаться в огромных количествах в термоядерной реакции в недрах Солнца. Предполагается, что именно «солнечные» аксионы и проникли в толщу горного массива Гран-Сассо и были зарегистрированы детектором.
Теории, допускающие существование аксионов, подразумевают, что эти частицы могли бы составлять недостающую часть материи во Вселенной и тем самым быть кандидатами на роль частиц темной материи, благодаря которой масса галактик именно такова, какую наблюдают астрономы, а не впятеро меньше.
Другое объяснение также предполагает существенную ревизию сложившихся представлений, хотя до революции в науке, вероятно, не дотягивает: оно предполагает наличие у нейтрино — очень легких незаряженных частиц, в изобилии исходящих от Солнца и прилетающих из космоса — довольно большого магнитного момента. О свойствах нейтрино физики знают далеко не все: к примеру, из существующих теорий не следует, что у нейтрино может быть масса, однако масса у них действительно есть, хотя ее пока не удалось точно определить. Существование у нейтрино большого магнитного момента также будет означать, что общепринятая физика элементарных частиц — так называемая Стандартная модель — нуждается в пересмотре.
Наконец, авторы не исключают и банального объяснения: наблюдаемый избыток события может быть вызван загрязнением детектора радиоактивным тритием. Исключить этот вариант можно будет лишь в ходе нового эксперимента в Гран-Сассо, который получил название XENONnT. В нем будет использовано уже больше 8 т жидкого ксенона, и ожидаемый избыток событий «электронного отскока» — если верна одна из первых двух гипотез — составит уже не 50, а более 800 событий.
Лаборатория Гран-Сассо была построена еще в 1980-х годах. Стоимость подобных детекторов значительно ниже, чем стоимость ускорителей частиц наподобие Большого Адронного коллайдера. Инфраструктура по существу представляет собой один подземный тоннель, в котором установлено оборудование. В то время как БАК дает работу нескольким тысячам физиков и технического персонала, для обслуживания детекторов Гран-Сассо достаточно трех десятков человек.
Поиск частиц темной материи идет уже несколько десятилетий и пока не принес существенных результатов. Ожидание затянулось, и вполне понятно волнение, с которым ученые всего мира встречают каждый новый обещающий результат, — однако, как гласит древняя китайская поговорка, «если очень ждешь друга, не принимай стук своего сердца за топот копыт его коня». Насколько вероятно, что результат коллаборации XENON1T выдержит дальнейшие проверки и действительно заложит основы новой физики за пределами Стандартной модели? Специально для Forbes результаты исследования прокомментировал Михаил Иосифович Высоцкий, чл.-корр. РАН и профессор кафедры физики элементарных частиц МФТИ:
«Конечно, пока все это очень ненадежно. Результат получен, как говорят физики, «на уровне 3σ». В экспериментальной физике последних лет было очень много предварительных результатов на уровне 3σ, которые так и не были подтверждены на том уровне статистической достоверности, который принято считать приемлемым для заявлений об открытии (обычно это 5σ). Более того, авторы и сами указывают на возможный источник погрешности в своем эксперименте: это распад радиоактивного трития. Для подтверждения результата потребуется новый эксперимент, и окончательного результата не следует ждать раньше, чем через несколько лет.
Однако оживление, которая вызвала эта научная работа среди физиков и популяризаторов, вполне понятно: она имеет отношение к загадке темной материи, которую, несмотря на все усилия, разрешить пока не удается. Подтверждение результата означало бы необходимость очень серьезной ревизии современных теоретических представлений об элементарных частицах — так называемой Стандартной модели. Этого давно ждут, однако за последние 8 лет, прошедшие после открытия бозона Хиггса, в физике элементарных частиц не было сделано никаких новых открытий. Поэтому ученое сообщество с таким вниманием отнеслось к результатам, полученным в Гран-Сассо: скучно же, когда ничего не происходит».