32 Стандартен модел за начинаещи (1) / Увертюра

След като Хигс бозонът (или хигсбозоноподобна частица) вече е факт, изпълзял на 5 стандартни отклонения от дупката си, и след като всички се нагледахме и наслушахме на журналистическа жалост (дори в епични пропорции), ми се струва, че няма да е лошо да се пробвам да обясня с някакви прости (надявам се) думи що за частица е това. Няма нищо романтично в идеята за Хигс-бозона. Има много, адски много математика и квантова теория на полето, които в крайна сметка са толкова далеч от нормалния човек и от интуицията, че дори професионалистите в областта понякога се замотават. За да се стигне до Хигса обаче, трябва да се почне малко по-отдалеч...

И така: всичко съществуващо във Вселената, което можем да видим, пипнем и изобщо детектираме, се състои от няколко групи фундаментални частици: кварки, лептони и калибровъчни бозони. Казвам фундаментални, защото на днешния етап от развитието на теорията и експеримента, не се предполага те да са съставени от нещо друго. (В контраст, протонът например, е прието да се нарича елементарна частица, но не е фундаментална, защото се състои от три кварка. Той по никакъв начин не може да бъде разбит на съставните си парчета, поради специфични свойства на силното взаимодействие, затова е и елементарен, но не е фундаментален. На по-ранните етапи от развитието на науката различни частици са били смятани за елементарни - първо атомите, после ядрата, след това нуклоните... С това искам да кажа, че сме свикнали всяко нещо да се дели на нещо друго по-малко от него, но по всичко изглежда, че с кварките, лептоните и калибровъчните бозони сме стигнали до неделимостта.)

Тези три категории частици се класифицират в две условни групи: частици на материята и частици на взаимодействията. Частиците на материята (кварките и лептоните) изграждат веществото - нуклоните, ядрата, въртящите се около тях електрони, неутрината, които излъчват звездите и ядрените реактори в Япония... Частиците на взаимодействията пък са проявления на полетата, които действат между кварките, лептоните (и между самите тях понякога).

Нека поясня - когато имате един елементарен електричен заряд в точка А и още един такъв заряд в точка Б, между тях започва да действа сила на отблъскване. Двата електрични заряда могат да са например електрони (най-популярните от категорията лептони), а това което предизвиква силата между тях е познатото на всички електромагнитно поле. И тъй като сме в областта на квантовата електродинамика, на всяко поле се съпоставя негово проявление във вид на частица. Електромагнитното поле си има такава частица на взаимодействието (калибровъчен бозон), известна под името фотон. На практика отблъскването на двете заредени частици е резултат от непрекъснат обмен на фотони, кванти на електромагнитното поле (което в класическата електродинамика се подчинява на уравненията на Максуел).

Освен електронът, в категорията на лептоните попадат мюонът, тауонът (които са много подобни на електрона като свойства, но имат по-голяма маса и са нестабилни, за разлика от него). Всеки лептон си има антилептон - позитрон (за електрона), антимюон (за мюона) и антитауон (за тауона). Античастиците пък имат същите свойства като партньорите си, но са с противоположен заряд (електронът и позитронът тежат еднакво в покой, но единият има отрицателен, а другият - положителен заряд). Дотук лептоните станаха 6. Към това семейство се класират още 6 частици - три неутрина и съответните им антинеутрина. Те имат изключително малка маса (доскоро се считаше дори, че са безмасови) и са три типа - електронно, мюонно и тауонно неутрино (+ антинеутрино).

Кварките също са 6 типа - горен (u), долен (d), странен (s), очарован (c), красив (b) и истинен (t). На всеки от тях съответства антикварк - отново със заряд противоположен на съответния кварк. Кварките не могат да съществуват в свободно състояние и винаги се намират в някаква по-сложна структура - например в протона има два u-кварка и един d-кварк. Сметката дотук: материята (и антиматерията) се състои от 12 частици (и техните 12 античастици).

Интересното е, че тези частици се групират в т.нар. поколения - I, II и III (вж. картинката от уики в началото на поста). Във всяко поколение има по един зареден лептон, съответстващото му неутрино и два кварка. Например, в първото поколение се групират електронът, електронното неутрино, u и d кварките (и съответните им античастици). Във второто - мюонът, мюонното неутрино, s и c кварките. И тъй като частиците от поколение I са много по-леки от частиците в поколение II, последните са нестабилни и след определено време се разпадат на частици от предното поколение. Например, за около 2 микросекунди един мюон се разпада на електрон, електронно антинеутрино и мюонно неутрино. Това е неизбежно - точно защото частиците от II и III поколение са тежки, и за тях е енергетически изгодно да се разпаднат на по-леки частици (това не значи, че едните се съдържат в другите!) затова и преобладаващата част от материята във Вселената се състои от електрони, протони (два u и един d кварк) и неутрони (два d и един u кварк). Тежки частици (например, такива съставени от три c-кварка) могат да бъдат получени при високоенергетични сблъсъци на по-леки частици (но за това - друг път). Но в природата не се срещат лесно.

ТЕ ИМАТ СПИН!

Всички фундаментални частици на материята имат едно специфично общо за всички тях свойство - те са фермиони. Сега, тук става малко хлъзгаво, защото не е много лесно да се обясни без грам формула какво е това фермион. Но нека опитам: величините в квантовата механика имат класически еквиваленти. Начинът на описание на тези величини е коренно различен като математически апарат, но все пак скоростта в квантовата механика има сходен смисъл на скоростта в класическата; координатите, импулса, енергията... също. Хората, които още имат някакви спомени от училищната физика, вероятно знаят, че макроскопичните тела се характеризират с величина, която се нарича ъглов момент и е свързана с въртенето на тялото около дадена ос. Колкото по-далеч е тялото от тази ос, или колкото по-тежко е то, или колкото по-бързо се върти, толкова по-голям момент на импулса има. Е, в квантовата механика еквивалентът на тази величина води до въвеждането на квантово число, наречено спин. Можете да си го представяте като вътрешна характеристика на всяка елементарна частица, която е свързана със собственото "въртене" на частицата около ос, която минава "през нея". (Разбира се, това е груба класическа аналогия - квантовите обекти не се въртят. Което е само върхът на айсберга - те дори не се характеризират с локализация в пространството, т.е. с координати... но затова друг път.) Просто математически, описанието на спина изглежда подобно на описанието на въртене на класическо тяло. Тъй като в квантовата механика всичко живо се квантува, то въпросният собствен ъглов момент не прави изключение. Съответното му квантово число - спин - може да заема различни стойности, но или цели (0, 1, 2,...) или полуцели (1/2, 3/2, 5/2,...). Това с какъв спин е частицата - дали цял или полуцял - има фундаментално значение и определя как точно тя ще се опише математически в уравненията на движението. Всички частици на материята изброени по-горе имат полуцял спин (1/2). В контраст - тези на полето (фотонът от горния пример) имат цял спин.

И за да стигнем до думата, която често се чуваше тези дни - частиците с полуцял спин се наричат фермиони, а частиците с цял спин - бозони. Правилно, Хигс бозонът е частица с цял спин. Т.е. тя не принадлежи към семейството на частиците, изграждащи материята. Също така, тя не е и сред типичните частици на взаимодействието (като фотона, глюоните, W/Z-бозоните), а има особен статут.

Но за това, в евентуалното продължение.