История физики элементарных частиц началась в 1897 году, когда
физики открыли электрон. Несколько лет спустя, в 1905 году,
Эйнштейн постулировал существование фотона, то есть кванта света,
это было необходимо для того, чтобы объяснить фотоэлектрический
эффект, возникающий при взаимодействии света с материей. Так
возникла физика элементарных частиц. Что такое Стандартная модель и
как были открыты свойства входящих в нее элементарных частиц,
рассказывает физик Джон Эллис.Стандартная модельС начала XX века мы
открыли много других типов частиц и теперь можем описать всю
видимую материю во Вселенной, опираясь на наши знания об
элементарных частицах. Так, в 1980-х годах были обнаружены частицы,
которые отвечают за взаимодействия между кварками и лептонами, а в
2012 году мы открыли бозон Хиггса, существование которого
предсказывала Стандартная модель. Стандартная модель прекрасно
описывает всю видимую материю во Вселенной, но тем не менее она не
дает ответа на многие наши вопросы. Одна из теорий, которая
призвана решить эту проблему, называется суперсимметрией к ней мы
вернемся позднее.Но пока что давайте вернемся к элементарным
частицам и их роли в Стандартной модели. Электроны присутствуют во
всей материи: они образуют атомы, и в каждом атоме вокруг ядра есть
облако электронов. Атомное ядро открыл Резерфорд, но в первой
половине XX века обнаружили, что оно состоит из двух разных типов
частиц протонов и нейтронов. Если бы мы записывали эту лекцию 7080
лет назад, я бы сказал, что протоны и нейтроны это фундаментальные
частицы. Но сегодня мы знаем, что они состоят из меньших частиц,
более фундаментальных, кварков. Существование кварков
постулировали, в частности, Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг, и
впоследствии мы получили огромное количество экспериментальных
данных, доказывающих их существование. Таким образом, материя
состоит из кварков, вокруг которых обращаются электроны, так
устроены атомы.Многие из открытий в области физики элементарных
частиц были совершены благодаря космическому излучению заряженным
частицам, которые постоянно бомбардируют Землю. Сперва физики
обнаружили их при помощи аэростатов, а затем начали регистрировать
потоки частиц, возникших под воздействием этого излучения. К
примеру, они открыли антиматерию, а также обнаружили, что
существует подобная электрону частица, но более тяжелая, в 200 раз
тяжелее, ее назвали мюоном. В 19301950-х годах в космическом
излучении обнаружили и другие частицы, например так называемые
странные частицы. Они вели себя не так, как мы ожидали, и жили
дольше, чем мы могли предположить. Теперь мы знаем: это связано с
тем, что в их составе есть кварк определенного типа.Таким образом,
материя состоит из кварков, электронов, мюонов (кроме того, есть и
третья частица наподобие электрона), а также есть нейтрино.
Нейтрино это очень легкие, электрически нейтральные частицы,
которые связаны с электроном, мюоном и им подобным. Они выделяются
в результате радиоактивного распада. Например, нейтрон частица
нестабильная, и он распадается на протон, электрон и нейтрино.
Итак, частицы, составляющие материю, это кварки, подобные электрону
частицы и нейтрино.Между этими частицами возможны четыре
взаимодействия: гравитация, электромагнетизм (объединенная теория
электричества и магнетизма, выведенная Джеймсом Максвеллом в
Королевском колледже Лондона примерно 150 лет назад), а также на
уровне частиц еще два слабое взаимодействие, которое отвечает за
радиоактивный распад, например за испускание нейтрино, и сильное
взаимодействие, удерживающеекварки внутри протонов и протоны и
нейтроны в ядре.Стандартная модель это теория, которая описывает
все эти частицы, которые составляют материю, и все фундаментальные
взаимодействия, кроме гравитации (с ней все сложно). Вся она
изложена на моей жилетке. На первой строчке в сокращенной
математической форме изложены фундаментальные взаимодействия. На
второй строчке показано, как фундаментальные взаимодействия влияют
на частицы материи ( здесь обозначает фотоэффект). Две нижние
строки связаны с бозоном Хиггса частицей, которая придает массу
другим элементарным частицам. Массы частиц материи указаны на
третьей строчке, а на четвертой как бозон Хиггса придает массу
частицам переносчикам фундаментальных взаимодействий. Так что на
моей жилетке умещается вся модель.Свойства элементарных частиц
Стандартной моделиТеперь давайте поговорим о том, как были открыты
свойства частиц Стандартной модели и как проверяли саму модель. В
1980-х годах мы открыли частицы, которые отвечали за слабые
взаимодействия: они весят примерно в 90 раз больше протона и, хотя
они очень маленькие, чрезвычайно тяжелые. Одна из самых больших
загадок почему они такие тяжелые. В 1990-х годах эксперименты в
ЦЕРН и других больших лабораториях физики элементарных частиц
подтвердили предсказания Стандартной модели, и примерно к 2000 году
содержание двух верхних строчек на моей жилетке то есть факты,
предсказанные Стандартной моделью, было проверено с высокой
точностью, до доли процента.Но в 2000 году кое-чего не хватало, а
именно объяснения, откуда берутся массы элементарных частиц. Мы
провели детальные измерения частиц Стандартной модели и могли быть
уверены, что должна быть еще какая-то частица, но до 2012 года мы
не могли понять, точно ли это бозон Хиггса. Бозон Хиггса нашли в
2012 году, и можно было бы сказать: все, Стандартная модель
завершена, расходимся по домам. Но нетосталось много вопросов,
ответы на которые нам еще предстоит найти. Например, почему есть
так много разных типов фундаментальных частиц? Мы знаем, что есть
шесть кварков, но почему? Мы знаем, что есть три типа нейтрино, но
почему? Кроме того, в рамках Стандартной модели мы не можем
объяснить, почему темной материи, которую обнаружили астрономы,
намного больше во Вселенной, чем частиц Стандартной модели. Мы не
знаем происхождение материи во Вселенной.Ученые предлагают много
теорий, которые помогут нам понять, что мы наблюдаем в рамках
Стандартной модели и что может лежать за ее пределами. Моя любимая
идея это теория суперсимметрии, согласно которой в дополнение ко
всем известным нам частицам Стандартной модели должны быть парные
частицы, у которых, например, тот же заряд, но они тяжелее и у них
другой спин. Нужно заметить, что все элементарные частицы можно
представить себе как балерин, выполняющих пируэты: некоторые из них
делают пируэты быстрее, а некоторые медленнее. Согласно
суперсимметрии, быстро и медленно вращающиеся частицы
взаимосвязаны. Это очень красивая теория, и она очень полезна,
поскольку может помочь нам объединить все фундаментальные
взаимодействия, разработать квантовую теорию гравитации и объяснить
темную материю.Так что мое сердце принадлежит теории
суперсимметрии, однако сейчас свидетельств в ее пользу нет. У нас
есть теория Стандартная модель, которая поразительно хорошо
работает, и мы знаем, что она неполна: суперсимметрия только одна
из идей, как мы можем заполнить пробелы. Поэтому сейчас мы
разрабатываем будущие эксперименты, например, на Большом адронном
коллайдере в ЦЕРН, и я надеюсь, что в результате появится что-то
новое, что можно будет добавить на мою жилетку.
