Субатомна загадка. Чи приховують найдрібніші частинки невідому матерію: що кажуть фізики
Чи допускає Стандартна модель фізики елементарних частинок існування більш крихітної матерії, ніж існуючі найкрихітніші частинки?
Елементарні частинки під назвою кварки і лептони є найменшими відомими будівельними блоками матерії. Під час вивчення цих частинок виявлено закономірність, яка припускає можливість існування ще дрібніших субатомних частинок. Залишається загадкою, чи існують ці дрібніші частинки, чи якась інша причина пояснює закономірність. Про це пише у статті для Big Think американський фізик Дон Лінкольн.
У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!
Ще 2500 тисячі років тому давньогрецькі філософи запропонували модель для опису фундаментальної природи матерії. Вони припустили, що в найменшому масштабі світ складається з частинок під назвою атомос.
Кварки та лептони — фундаментальні частинки Всесвіту
Цей термін був призначений для опису найменшого будівельного блоку матерії. Хоча термін атомос схожий на термін атом, це не те саме. Наразі відомо, що атоми складаються з іще дрібніших частинок: протонів, нейтронів та електронів.
Понад 50 років тому фізики з'ясували, що протони і нейтрони самі складаються зі ще дрібніших частинок — кварків. Електрон, мабуть, не має дрібніших компонентів і є членом класу частинок під назвою лептони. Існує два різновиди лептонів: один з електричним зарядом, а інший електрично нейтральний. Нейтральні лептони називаються нейтрино.
Нині відомо, що існує 6 типів кварків: верхній, нижній, зачарований, дивний, чарівний і істинний. Верхні та нижні кварки знаходяться всередині протонів і нейтронів. Існує також 6 типів лептонів, три з електричним зарядом і три електрично нейтральних. Три заряджені лептони — це електронний, мюонний і тау-лептон. Три нейтральні лептони — це електронне нейтрино, мюонне нейтрино і тау-нейтрино.
Одне з найбільших невирішених питань фізики
Кварки та лептони можна організувати таким чином, щоб виявити закономірність, пов'язану з їхніми зарядами. Ці частинки можна згрупувати в три окремі родини. Перше містить верхній і нижній кварки, електрон та електронне нейтрино. Друге містить зачарований і дивний кварк, мюон і мюонне нейтрино. Нарешті, третє містить істинний і чарівний кварк, тау-лептон і тау-нейтрино.
Уся звичайна матерія може складатися з частинок першого сімейства. Частинки другого і третього сімейства нестабільні і швидко розпадаються на частинки першого сімейства. Вони також усе більш масивні, ніж частинки першого сімейства.
Походження цієї закономірності поки до кінця незрозуміле. Чому має бути три сімейства матерії, коли Всесвіт, здається, складається тільки з частинок першого сімейства? Це одне з найбільших невирішених питань фізики.
Хоча фізики поки що не мають відповіді на це питання, деякі вчені вважають, що ця закономірність є доказом існування частинок, менших за кварки та лептони.
Чи існують ще менші частинки, ніж кварки та лептони?
Є один приклад закономірностей у субатомній фізиці, що натякає на пізніше відкриту субструктуру. Ці закономірності спостерігалися з середини 40-х до середини 60-х років минулого століття, коли фізики відкрили те, що вони назвали "зоопарком частинок". Використовуючи прискорювачі частинок, фізики зіштовхували протони або електрони і створювали частинки, які ніколи раніше не спостерігалися. Було відкрито сотні різних видів частинок. Ці частинки мали різні електричні заряди, час життя, маси, субатомні спіни і загадкову властивість, що дістала назву дивність.
Дивина була приписана частинкам, які можна було легко створити, але які повільно розпадалися. Частинка з дивиною 1 розпадеться на звичайні частинки. Частинка з дивиною 2 розпадеться на дивні частинки, які потім розпадуться на звичайні частинки.
Коли фізики впорядкували частинки, відкриті в середині 20-го століття, використовуючи заряд і дивацтво як організувальні параметри, результатом стали геометричні закономірності. Їх пояснили за допомогою існування кварків. Різні комбінації верхніх, нижніх і дивних кварків створюють геометричні закономірності.
Наразі закономірності, які спостерігаються в кварках і лептонах, залишаються нез'ясованими, але можна припустити, що кварки і лептони самі можуть бути створені з ще більш дрібних частинок. Існує навіть назва для цих гіпотетичних частинок — преони. Існує багато різних моделей преонів, але жодна з них не була підтверджена.
Це звучить безглуздо, але це не неможливо
Одна з причин цього полягає в тому, що розмір кварків і лептонів точно не відомий. Фізики лише знають, що ці частинки мають бути меншими, ніж приблизно 10 у мінус 18 ступені метрів. Якщо преони існують, то вони мають бути ще меншими.
Крім того, закони квантової механіки створюють проблему для об'єктів такого розміру. Принцип невизначеності Гейзенберга свідчить, що ми не можемо одночасно знати місце розташування і рух об'єкта. Якщо ми можемо обмежити розмір преонів існуванням усередині об'єктів розміром усього 10 у мінус 18 ступені метрів, то ми мало знаємо про їхній рух. Вони можуть рухатися дуже швидко, а це означає, що в них може бути багато енергії.
Використовуючи рівняння Ейнштейна E = mc2, це означає, що преони повинні мати масу, яка більш ніж у 1000 разів більша за масу протона. Враховуючи, що верхній кварк має масу приблизно 0,003 маси протона, виходить дивна ситуація. Це означає, що об'єкт із масою 0,003 маси протона містить усередині себе принаймні один об'єкт із масою, що в 1000 разів більша за масу протона.
Це звучить безглуздо, але це не неможливо. Можливо, існує велика і негативна енергія, що зв'язує преони разом. Якщо це правда, то негативна енергія зв'язку може скасувати велику позитивну енергію маси преонів. Але на даний момент це є лише припущенням. Уся ідея з преонами може виявитися невірною.
Але чому існують закономірності в сімействах кварків і лептонів? Це поки що залишається субатомною загадкою.
Як уже писав Фокус, фізики з'ясували, як з'явилася матерія у Всесвіті, відтворивши Великий вибух. Вчені отримали несподівані результати під час експерименту в прискорювачі частинок.