Скрывают ли кварки и лептоны другой уровень материи?

Какова фундаментальная природа материи? Еще две с половиной тысячи лет назад греческие философы обсуждали этот вопрос. Демокрит и его наставник Левкипп выдвинули модель, наиболее близкую к той, которую принимает современная наука. Они предположили, что в наименьшем масштабе мир состоит из атомос (от др.-греч. ἄτομος — «неделимый»).

Несмотря на сходство в названиях, атомос — это не то же самое, что мы сейчас называем атомами. Термин «атомос» предназначался для описания наименьшего строительного блока материи. Напротив, сейчас известно, что атомы состоят из еще более мелких частиц: протонов, нейтронов и электронов.

И начиная с 1964 года ученые поняли, что протоны и нейтроны сами состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками. Электрон, по-видимому, не имеет более мелких компонентов и является членом класса частиц, называемых лептонами. Существует две разновидности лептонов: одна с электрическим зарядом, а другая электрически нейтральная. Нейтральные лептоны называются нейтрино.

В настоящее время известно о шести типах кварков с несколько «ароматами»: нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный, истинный. Верхние и нижние кварки находятся внутри протонов и нейтронов. Существует также шесть типов лептонов, три с электрическим зарядом и три нейтральных. Три заряженных лептона — это электронный, мюонный и тау-лептон. Три нейтральных лептона — это электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино.

Кварки и лептоны можно организовать таким образом, чтобы выявить закономерность. Начнем с системы единиц, в которой протон имеет электрический заряд +1, электрон имеет заряд -1, а нейтрон имеет заряд ноль. В этой системе верхний, очарованный и истинный кварки имеют заряд +2/3. Нижний, странный и прелестный кварки имеют заряд -1/3. Электрон, мюон и тау-лептон имеют заряд -1, в то время как все нейтрино имеют нулевой заряд.

Затем частицы можно сгруппировать в три отдельных семейства, называемых «поколениями». Первое поколение содержит верхние и нижние кварки, электрон и электронное нейтрино. Второе поколение содержит очарованные и странные кварки, мюон и мюонное нейтрино. Наконец, третье поколение содержит прелестный и истинные кварки, тау-лептон и тау-нейтрино.

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

Происхождение этой модели пока не изучено. Почему должно быть три поколения частиц, когда наша вселенная, похоже, состоит только из частиц первого поколения? Это один из величайших нерешенных вопросов физики.

Хотя у ученых нет ответа на этот вопрос, некоторые исследователи полагают, что эта закономерность свидетельствует о существовании частиц, которые меньше кварков и лептонов.

Исторические аналоги

История учит нас, что необъяснимая закономерность в субатомной физике часто может быть объяснена наличием более мелких частиц.

Например, в 1869 году Дмитрий Менделеев изобрел периодическую таблицу химических элементов. Он организовал элементы со схожими свойствами вместе в столбцах. Элементы в первых рядах легче и становятся тяжелее в следующих рядах.

Ученые конца 19 века не могли объяснить закономерность, которую они увидели в периодической таблице; однако теперь мы понимаем, почему. Элементы в каждом столбце имели схожую химическую реактивность, поскольку имели схожую конфигурацию электронов. Например, щелочи (например, водород, литий, натрий и калий) являются реактивными из-за неспаренного электрона на своей внешней орбитали. Напротив, благородные газы (например, гелий, неон, аргон, криптон и ксенон) химически инертны, поскольку их орбитали заполнены, не оставляя электронов для взаимодействия с другими атомами.

Увеличение массы при переходе от верхних рядов к нижним в периодической таблице происходит за счет постоянно увеличивающегося числа протонов и нейтронов. В общем, закономерности в периодической таблице, которые были необъяснимы в конце 19 века, стали полностью объяснены в начале 20 века, когда была открыта структура атома.

Есть еще один похожий, но менее известный пример закономерностей в субатомной физике, намекающий на позднее открытую субструктуру. Эти закономерности наблюдались с середины 1940-х до середины 1960-х годов, в эпоху, когда физики открыли то, что они назвали «зоопарком частиц».

Используя ускорители частиц, физики сталкивали протоны или электроны с мишенями и создавали частицы, которые никогда ранее не наблюдались. Были открыты сотни различных видов частиц. Эти частицы обладали набором свойств — различными электрическими зарядами, временами жизни, массами, субатомными спинами и загадочным свойством, называемым «странностью».

Странность (S) была присвоена частицам, которые было легко создать, но которые затем распадались. Частица со странностью 1 распадалась на обычные частицы. Частица со странностью 2 распадалась на странные частицы, которые затем распадались на обычные частицы.

Когда исследователи организовали частицы, открытые в середине 20-го века, используя заряд и странность в качестве организующих параметров, результатом стали геометрические узоры. Эти узоры были объяснены с помощью привлечения существования кварков. Различные комбинации верхних, нижних и странных кварков порождали геометрические узоры.

Структура кварков и лептонов

В настоящее время закономерности, наблюдаемые в кварках и лептонах, остаются необъясненными, но, учитывая уроки истории, кажется разумным предположить, что кварки и лептоны сами могут быть созданы из еще более мелких частиц. Существует даже название для этих пока еще не открытых и полностью гипотетических частиц. Они называются преонами (пре-кварками).

Существует много различных моделей преонов, но ни одна из них не подтверждена. Действительно, есть причины сомневаться в существовании преонов.

Первая причина в том, что размер кварков и лептонов не наблюдался. Это не значит, что мы ничего не знаем. Ученые использовали самые мощные микроскопы в попытках их увидеть. Наименьший размер, который могут разрешить эти инструменты, составляет около 1/1000 размера протона. Но они не увидели ничего; поэтому известно, что кварки и лептоны должны быть меньше, чем примерно 10 ^-18 метров. Если преоны находятся внутри кварков и лептонов, 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. Хорошо знать одно — значит плохо знать другое.

Если мы можем ограничить размер преонов существованием внутри объектов размером всего 10 ^-18 метров, то у нас будет мало знаний об их движении. Они могут двигаться очень быстро, а значит, иметь много энергии.

Используя уравнение Эйнштейна E = mc ² , это означает, что преоны должны иметь массу, которая более чем в 1000 раз больше массы протона.

Учитывая, что масса верхнего кварка составляет примерно 0,003 массы протона, мы остаемся с очень запутанной ситуацией, в которой объект с массой в 0,003 от 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, что существует большая и отрицательная энергия, связывающая преоны. Если это правда, то отрицательная энергия связи может отменить большую положительную энергию массы преонов.

Но это все только спекуляции на данный момент. Вся идея преонов может быть неверной; действительно, идея преонов не пользуется популярностью в физическом сообществе.

Однако вопрос о том, почему существуют закономерности в семействах кварков и лептонов, остается полной загадкой. Эти закономерности говорят нам о чем-то, но понадобится гениальный ход (и хорошая экспериментальная работа), чтобы сказать, что именно они говорят.