Число частиц еще больше: античастицы, нейтрино, другие кварки и лептоны, бозон(ы) Хиггса

Хотя это и правда, что все, что мы видим, состоит из электрона и двух кварков — верхнего и нижнего, в ходе исследований было открыто существование и других частиц. Мы их не видим, и они не проявляют себя непосредственно в нашем мире, но мы можем провести эксперименты и увидеть их. Мы понимаем, почему существуют некоторые из них, но существование других остается загадкой. Для полноты картины я приведу краткий список некоторых таких частиц: античастицы, нейтрино, другие кварки и лептоны, бозоны Хиггса.

Античастицы

В 1928 г. Поль Дирак объединил квантовую теорию со специальной теорией относительности Эйнштейна для описания электромагнитного взаимодействия. Он показал, что получающиеся в результате такого объединения уравнения обладают удивительными свойствами. Мы уже видели, что частицы представляются решениями фундаментальных уравнений. Дирак показал, что если поведение одной частицы, скажем, электрона, описывается решением фундаментальных уравнений, то эти уравнения должны иметь и другие решения с той же массой частицы, но с зарядом, противоположным по знаку. В случае электрона — частицы с отрицательным электрическим зарядом — новая частица обладала бы положительным электрическим зарядом. Если в реальном мире существует одно решение, то обязано существовать и другое. Это так же, как квадратный корень из 4 может быть равен +2 и -2, потому что оба числа, возведенные в квадрат, дают 4. Мы можем записать это в виде уравнения х2 = 4, а для его решений получаем: х = +2 и х = -2. Если одно число является решением, то и другое — тоже. Аналогично, если одна частица существует, то и другая должна существовать. Эти две частицы называются античастицами по отношению друг к другу. Полученный Дираком результат относится ко всем квантам и частицам. Если у частицы нет заряда, как у фотона, то она же является своей собственной античастицей: частицу невозможно отличить от античастицы.

Это был первый значительный пример, когда существование ранее неизвестной частицы предсказывалось, исходя из теоретических аргументов, причем предсказывалась не просто одна какая-то частица, а античастица для каждой частицы, т. е. получалось, что число частиц удваивалось. Удивительно не то, что существует «антивещество», а то, что существование неизвестных раньше частиц было предсказано, исходя из чисто теоретических аргументов, и позднее эти частицы действительно были обнаружены. Для нахождения ранее скрытой части природы понадобилось человеческое мышление, руководимое аппаратом теоретической физики. Мы увидим, что суперсимметрия предсказывает еще одно удвоение числа частиц.

В отношении антивещества есть одна неразгаданная тайна. Частицы и античастицы это одни и те же частицы, но с противоположным по знаку зарядом. Все античастицы наблюдаемы. Что называть частицей, а что античастицей есть вопрос договоренности. Античастицы столь же постоянны, что и соответствующие им частицы, и ведут себя так же, как и они (с учетом противоположного знака для заряда). Например, антиэлектроны (часто называемые позитронами) и антипротоны могут объединиться и образовать антиводород. Поскольку заряд у электронов и позитронов противоположен, их суммарный заряд равен нулю, а значит, пара таких частиц может аннигилировать, если они столкнутся, и тогда образуются фотоны, которые унесут с собой их энергию. В действительности, всякий раз, когда на Земле образуется позитрон, он вскоре находит электрон и аннигилирует. Таким образом, вокруг нас, за исключением космического пространства, обычно есть не очень много позитронов. Аналогично, антипротоны аннигилируют с протонами, а значит, вокруг нас совсем немного антипротонов. Позже мы вернемся к этому вопросу и вкратце рассмотрим, почему наш мир состоит в основном из вещества, а не из антивещества.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >