Стандартна модель: дивовижна теорія майже всього

Стандартна модель. Що за дурне назву для самої точної наукової теорії з усіх відомих людству. Більше чверті нобелівських премій з фізики минулого століття були присуджені робіт, які або прямо, або опосередковано були пов'язані зі Стандартною моделлю. Назва у неї, звичайно, таке, ніби за пару сотень рублів можна придбати поліпшення. Будь-фізик-теоретик вважав за краще б «дивовижну теорію майже всього», якою вона, власне, і є.

Багато хто пам'ятає хвилювання серед вчених і в ЗМІ, викликана відкриттям бозона Хіггса в 2012 році. Але його відкриття не стало сюрпризом і не виникло нізвідки — воно ознаменувало собою п'ятдесятиріччя низки перемог Стандартної моделі. Вона включає кожну фундаментальну силу, окрім гравітації. Будь-яка спроба спростувати її і продемонструвати в лабораторії, що її потрібно повністю переробити, — а таких було багато — терпіла невдачу.

Коротше кажучи, Стандартна модель відповідає на це питання: з чого все зроблено і як все тримається разом?

Дрібні будівельні блоки

Фізики люблять прості речі. Вони хочуть роздрібнити все до самої суті, знайти самі базові будівельні блоки. Зробити це при наявності сотні хімічних елементів не так-то просто. Наші предки вважали, що все складається з п'яти елементів — землі, води, вогню, повітря і ефіру. П'ять набагато простіше ста вісімнадцяти. І також невірно. Ви, безумовно, знаєте, що світ навколо нас складається з молекул, а молекули складаються з атомів. Хімік Дмитро Менделєєв з'ясував це в 1860-х роках і представив атоми в таблиці елементів, яку сьогодні вивчають у школі. Але цих хімічних елементів 118. Сурма, миш'як, алюміній, селен... і ще 114.

У 1932 році вчені знали, що всі ці атоми складається з трьох часток — нейтронів, протонів і електронів. Нейтрони і протони тісно пов'язані один з одним в ядрі. Електрони, в тисячі разів легше їх, кружляють навколо ядра на швидкості, близькій до світлової. Фізики Планк, Бор, Шредінгер, Гейзенберг і інші представили нову науку — квантову механіку для пояснення цього руху.

На цьому було б чудово зупинитися. Всього три частки. Це навіть простіше, ніж п'ять. Але як вони тримаються разом? Негативно заряджені електрони та позитивно заряджені протони скріплюються разом силами електромагнетизму. Але протони збиваються в ядрі та їх позитивні заряди повинні розштовхувати їх геть. Не допоможуть навіть нейтральні нейтрони.

Що пов'язує ці протони та нейтрони разом? «Божественне втручання»? Але навіть божественній суті доставило б проблем стежити за кожним з 10⁸⁰ протонів і нейтронів у Всесвіті, утримуючи їх силою волі.

Розширюючи зоопарк частинок

тим часом природа відчайдушно відмовляється зберігати у своєму зоопарку всього три частки. Навіть чотири, тому що нам потрібно врахувати фотон, частинку світла, описану Ейнштейном. Чотири перетворилися в п'ять, коли Андерсон виміряв електрони з позитивним зарядом — позитрони — які б'ють по Землі з космосу. П'ять стали шістьма, коли був виявлений півонія, що утримує ядро в цілому і передбачений Юкавой.

Потім з'явився мюон — в 200 разів важче електрона, але в іншому його близнюк. Це вже сім. Не так вже й просто.

До 1960-х років були сотні «фундаментальних» частинок. Замість добре організованою періодичної таблиці були тільки довгі списки баріонів (важких часток начебто протонів і нейтронів), мезонів (зразок півоній Юкави) і лептонів (легких частинок, таких як електрон і невловимі нейтрино), без якої-небудь організації і принципів устрою.

І в цій безодні народилася Стандартна модель. Не було ніякого осяяння. Архімед не вискочив з ванни з криком «Еврика!». Ні, замість цього в середині 1960-х кілька розумних людей висунули важливі припущення, які перетворили цю трясовину спершу в просту теорію, а потім у п'ятдесят років експериментальної перевірки і теоретичної розробки.

Кварки. Вони отримали шість варіантів, які ми називаємо ароматами. Як у квітів, тільки не так смачно пахнуть. Замість троянд, лілій і лаванди ми отримали верхній і нижній, дивний і зачарований, чарівний і щирий кварки. У 1964 році Гелл-Манн і Цвейг навчили нас змішувати три кварка, щоб отримувати баріон. Протон – це два верхніх і один нижній кварк; нейтрон – два нижніх і один верхній. Візьміть один кварк і один антикварк – отримаєте мезон. Півонія – це верхній або нижній кварк, пов'язаний з верхнім або нижнім антикварком. Всі речовина, з яким ми маємо справу, складається з верхніх і нижніх кварків, антикварков і електронів.

Простота. Хоч і не зовсім простота, тому що утримувати кварки пов'язаними нелегко. Вони з'єднуються між собою так щільно, що ви ніколи не знайдете кварка або антикварка, блукаючого самого по собі. Теорія зв'язку з цим і частинки, які беруть у ній участь, а саме глюони, називається квантовою хромодинамикой. Це важлива частина Стандартної моделі, математично складна, а місцями навіть нерозв'язна для базової математики. Фізики роблять все можливе, щоб проводити обчислення, але іноді математичний апарат виявляється недостатньо розроблено.

Ще один аспект Стандартної моделі – «модель лептонів». Це назва найважливішої статті 1967 року, написаної Стівеном Вайнбергом, яка об'єднала квантову механіку з найважливішими знаннями про те, як взаємодіють частинки, і організувала їх в єдину теорію. Він включив електромагнетизм, зв'язав його зі «слабкою силою», яка призводить до певних радіоактивним розпаду, і пояснив, що це різніпрояви однієї і тієї ж сили. У цю модель був включений механізм Хіггса, дає масу фундаментальних частинок.

З тих пір Стандартна модель передбачала результати експериментів за результатами, включаючи відкриття кількох різновидів кварків і W - і Z-бозонів – важких частинок, які у слабких взаємодіях виконують ту ж роль, що фотон у електромагнетизм. Ймовірність того, що нейтрино мають масу, упустили в 1960-х роках, але підтвердили Стандартною моделлю в 1990-х роках, через кілька десятиліть.

Виявлення бозона Хіггса в 2012 році, давно передбаченого Стандартною моделлю і довгоочікуваного, не стало, тим не менш, несподіванкою. Зате стало ще однією важливою перемогою Стандартної моделі над темними силами, які фізики частинок регулярно чекають на горизонті. Фізикам не подобається, що Стандартна модель не відповідає їх уявленням про простий, вони стурбовані її математичної непослідовністю, а також шукають можливість включити гравітацію в рівняння. Очевидно, це виливається в різні теорії фізики, яка може бути після Стандартної моделі. Так з'явилися теорії великого об'єднання, суперсиметрії, техноколор і теорія струн.

На жаль, теорії за межами Стандартної моделі не знайшли успішних експериментальних підтверджень і серйозних прогалин у Стандартної моделі. Через п'ятдесят років саме Стандартна модель ближче всіх до статусу теорії всього. Дивовижна теорія майже все.