Наука простыми словами — что такое и зачем нужна физика элементарных частиц?

Физика элементарных частиц — это название научной дисциплины звучит как нечто фантастическое и очень далекое от повседневности. Однако это далеко не так. Именно эта молодая и сложная область знаний помогает человечеству понимать и улучшать окружающий мир.

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".

Наука простыми словами — что такое и зачем нужна физика элементарных частиц?
Концептуальная иллюстрация, показывающая частицы Стандартной модели с их более тяжелыми суперпартнерами, введенными принципом суперсимметрии (SUSY). В суперсимметрии сила и материя трактуются одинаково.

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.

Читайте также

От ледника Петерманн в Гренландии откололось 76 квадратных километров льда

От ледника Петерманн в Гренландии откололось 76 квадратных километров льда

Психологи выявили механизм влияния бессонницы на развитие фобий

Психологи выявили механизм влияния бессонницы на развитие фобий

Физики искали одну экзотическую частицу, но обнаружили две другие структуры

Физики искали одну экзотическую частицу, но обнаружили две другие структуры

Ученые раскрыли секрет медленного развития человека: все дело в белках

Ученые раскрыли секрет медленного развития человека: все дело в белках

Физик предположил, что пространство-время — лишь часть более крупной структуры Вселенной

Физик предположил, что пространство-время — лишь часть более крупной структуры Вселенной

Лингвисты РАН раскрыли биомеханику тувинского горлового пения методом МРТ

Лингвисты РАН раскрыли биомеханику тувинского горлового пения методом МРТ

В Канаде расширят производство радиоактивного изотопа для лечения рака

В Канаде расширят производство радиоактивного изотопа для лечения рака

Древние гиены на Урале питались бизонами и гигантскими оленями

Древние гиены на Урале питались бизонами и гигантскими оленями

Как РЛС Вадима Мацкевича решила исход Корейской войны

Как РЛС Вадима Мацкевича решила исход Корейской войны

Миссии NASA, которые изменили историю освоения космоса

Миссии NASA, которые изменили историю освоения космоса

Квантовый двигатель нарушает законы термодинамики, генерируя работу и холод одновременно

Квантовый двигатель нарушает законы термодинамики, генерируя работу и холод одновременно

Медицинские технологии, в которые почти невозможно поверить

Медицинские технологии, в которые почти невозможно поверить

Первые тестировщики складного iPhone Ultra оценили его дизайн и компактность

Первые тестировщики складного iPhone Ultra оценили его дизайн и компактность

Ученые нашли лишайник, который может указывать на месторождения редкоземельных элементов

Ученые нашли лишайник, который может указывать на месторождения редкоземельных элементов

20 лет назад Плутон перестал быть планетой — почему с этим до сих пор не все согласны?

20 лет назад Плутон перестал быть планетой — почему с этим до сих пор не все согласны?

Печенье из ПЭТ-бутылок и кукурузных стеблей создано для Земли и космоса

Печенье из ПЭТ-бутылок и кукурузных стеблей создано для Земли и космоса