Со стороны может показаться, что высокоскоростные столкновения атомных ядер внутри ускорителей частиц, таких как Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе, имеют очень мало общего с более приземленными объектами, такими как ваш утренний кофе или любимая футболка. Однако на субатомном уровне ваша любимая кружка состоит точно из того же материала, который получается в результате этих научных "аварий", и все это может вписаться в четкую структуру, которую физики называют Стандартной моделью физики элементарных частиц.
Утвержденная в 1970-х годах Стандартная модель состоит из 17 фундаментальных частиц, составляющих большую часть (но не всю) материи во Вселенной. Эти 17 частиц можно разделить на два основных лагеря: "фермионы" и "бозоны". Грубо говоря, вы можете думать о фермионах как о веществе (материи) а о бозонах — как о силах, перемещающих это вещество. В семействе фермионов есть шесть "лептонов", включая электроны, и шесть частиц, называемых "кварками".
Хотя в школе нас учат, что материя состоит из протонов, нейтронов и электронов, только одна из этих частиц считается фундаментальной, то есть ее нельзя разбить на более мелкие части. Из-за этого только электроны могут быть классифицированы как фундаментальные лептонные частицы, а протоны и нейтроны вместо этого представлены соответствующими кварками. В частности, протоны и нейтроны представляют собой смесь "верхних" и "нижних" кварков.
В дикой природе физики чаще всего наблюдают именно эти верхние и нижние кварки, но есть также четыре других разновидности этих кварков, которые становятся все более тяжелыми и менее стабильными. Что касается верха, у вас также есть "очаровательные" и "верхние" кварки, а для нижнего — "странные" и "нижние" кварки.
Семейство лептонов также включает своего рода "сверхлегкие" частицы, называемые нейтрино, которые бывают трех разновидностей, связанных с другими некварковыми лептонами: тау-нейтрино, мюонное нейтрино и электронное нейтрино. Нейтрино часто называют частицей-призраком, потому что они редко взаимодействуют с другим веществом и могут быть обнаружены только по следам, которые они оставляют после себя. .
Вместе лептоны и кварки составляют всю материю, с которой мы взаимодействуем в нашей Вселенной. Однако эти частицы были бы ничем без бозонов, которые перемещали бы их или скрепляли вместе. Из всех 12 фермионов известно только пять бозонов:
- Фотоны, несущие электромагнитную силу;
- Глюоны, которые удерживают кварки друг с другом с сильным взаимодействием, помогают создавать атомы;
- Бозоны W и Z, ответственные за слабое взаимодействие и радиоактивный распад;
- Хиггс, самое последнее дополнение к группе, придающее массу другим частицам.
В целом эти бозоны создают четыре из пяти фундаментальных взаимодействий, за исключением гравитации. Поскольку эффект гравитации на субатомном уровне настолько мал, что он не может легко вписаться в рамки Стандартной модели, несмотря на все усилия физиков.
Исключение гравитации из этой семейной картины — лишь одна из нескольких проблем со Стандартной моделью, заставляющих все больше и больше физиков полагать, что ее господство в качестве окончательной физической теории, возможно, ослабевает. По данным NASA, в дополнение к тому, что Стандартная модель не учитывает гравитацию, она также не дает объяснения огромному количеству темной энергии и темной материи, которые составляют 95 процентов Вселенной.
В других областях физики элементарных частиц, таких как исследование нейтрино, также ходят слухи о наблюдениях за поведением частиц, которые не совсем совпадают с предсказаниями Стандартной модели. Означает ли это, что всю модель следует выбросить? Возможно нет. Однако это означает, что физики все больше заинтересованы в том, чтобы выйти за рамки физики Стандартной модели, то есть в поисках того, какие виды неизвестных сил также могут влиять на эти частицы.
В зависимости от того, что физики обнаружат в ближайшие годы, наше понимание субатомного мира и самой Вселенной может измениться навсегда.
