Субатомная загадка. Скрывают ли самые мелкие частицы неизвестную материю: что говорят физики

Элементарные частицы под названием кварки и лептоны являются самыми маленькими известными строительными блоками материи. При изучении этих частиц выявлена закономерность, которая предполагает возможность существования еще более мелких субатомных частиц. Остается загадкой, существуют ли эти более мелкие частицы или какая-то другая причина объясняет закономерность. Об этом пишет в статье для Big Think американский физик Дон Линкольн.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Еще 2500 тысячи лет назад древнегреческие философы предложили модель для описания фундаментальной природы материи. Они предположили, что в наименьшем масштабе мир состоит из частиц под названием атомос.

Кварки и лептоны – фундаментальные частицы Вселенной

Этот термин был предназначен для описания наименьшего строительного блока материи. Хотя термин атомос похож на термин атом, это не то же самое. Сейчас известно, атомы состоят из еще более мелких частиц: протонов, нейтронов и электронов.

Более 50 лет назад физики выяснили, что протоны и нейтроны сами состоят из еще более мелких частиц — кварков. Электрон, по-видимому, не имеет более мелких компонентов и является членом класса частиц под названием лептоны. Существует две разновидности лептонов: одна с электрическим зарядом, а другая электрически нейтральная. Нейтральные лептоны называются нейтрино.

В настоящее время известно, что существует 6 типов кварков: верхний, нижний, очарованный, странный, прелестный и истинный. Верхние и нижние кварки находятся внутри протонов и нейтронов. Существует также 6 типов лептонов, три с электрическим зарядом и три электрически нейтральных. Три заряженных лептона — это электронный, мюонный и тау-лептон. Три нейтральных лептона — это электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино.

Один из величайших нерешенных вопросов физики

Кварки и лептоны можно организовать таким образом, чтобы выявить закономерность, связанная с их зарядами. Эти частицы можно сгруппировать в три отдельных семейства. Первое содержит верхний и нижний кварки, электрон и электронное нейтрино. Второе содержит очарованный и странный кварк, мюон и мюонное нейтрино. Наконец, третье содержит истинный и прелестный кварк, тау-лептон и тау-нейтрино.

Вся обычная материя может состоять из частиц первого семейства. Частицы второго и третьего семейства нестабильны и быстро распадаются на частицы первого семейства. Они также все более массивны, чем частицы первого семейства.

Происхождение этой закономерности пока до конца непонятно. Почему должно быть три семейства материи, когда Вселенная, кажется, состоит только из частиц первого семейства? Это один из величайших нерешенных вопросов физики.

Хотя у физиков пока нет ответа на этот вопрос, некоторые ученые считают, что эта закономерность является доказательством существования частиц, меньших, чем кварки и лептоны.

Существует еще меньшие частицы, чем кварки и лептоны?

Есть один пример закономерностей в субатомной физике, намекающий на позднее открытую субструктуру. Эти закономерности наблюдались с середины 40-х до середины 60-х годов прошлого века, когда физики открыли то, что они назвали "зоопарком частиц". Используя ускорители частиц, физики сталкивали протоны или электроны и создавали частицы, которые никогда ранее не наблюдались. Были открыты сотни различных видов частиц. Эти частицы обладали разными электрическими зарядами, временем жизни, массами, субатомными спинами и загадочным свойством, которое получило название странность.

Странность была приписана частицам, которые можно было легко создать, но которые медленно распадались. Частица со странностью 1 распадется на обычные частицы. Частица со странностью 2 распадется на странные частицы, которые затем распадутся на обычные частицы.

Когда физики упорядочили частицы, открытые в середине 20-го века, используя заряд и странность в качестве организующих параметров, результатом стали геометрические закономерности. Их объяснили с помощью существования кварков. Различные комбинации верхних, нижних и странных кварков создают геометрические закономерности.

В настоящее время закономерности, наблюдаемые в кварках и лептонах, остаются необъясненными, но можно предположить, что кварки и лептоны сами могут быть созданы из еще более мелких частиц. Существует даже название для этих гипотетических частиц – преоны. Существует много различных моделей преонов, но ни одна из них не была подтверждена.

Это звучит бессмысленно, но это не невозможно

Одна из причин этого, состоит в том, что размер кварков и лептонов точно не известен. Физики лишь знают, что эти частицы должны быть меньше, чем примерно 10 в минус 18 степени метров. Если преоны существуют, то они должны быть еще меньше.

Кроме того, законы квантовой механики создают проблему для объектов такого размера. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что мы не можем одновременно знать местоположение и движение объекта. Если мы можем ограничить размер преонов существованием внутри объектов размером всего 10 в минус 18 степени метров, то мы мало знаем об их движении. Они могут двигаться очень быстро, а это значит, что у них может быть много энергии.

Используя уравнение Эйнштейна E = mc2, это значит, что преоны должны иметь массу, которая более чем в 1000 раз больше массы протона. Учитывая, что верхний кварк имеет массу примерно 0,003 массы протона, получается странная ситуация. Это значит, что объект с массой 0,003 массы протона содержит внутри себя по крайней мере один объект с массой в 1000 раз больше массы протона.

Это звучит бессмысленно, но это не невозможно. Возможно, существует большая и отрицательная энергия, связывающая преоны вместе. Если это правда, то отрицательная энергия связи может отменить большую положительную энергию массы преонов. Но на данный момент это является лишь предположением. Вся идея с преонами может оказаться неверной.

Но почему существуют закономерности в семействах кварков и лептонов? Это пока остается субатомной загадкой.

Как уже писал Фокус, физики выяснили, как появилась материя во Вселенной, воссоздав Большой взрыв. Ученые получили неожиданные результаты во время эксперимента в ускорителе частиц.