Авторы Натали Вулховер, Самуэль Веласко, Люси Ридинг-Икканда
Вся природа возникает из горстки компонентов - элементарных частиц, которые взаимодействуют друг с другом лишь несколькими способами. В 1970-х годах физики разработали систему уравнений, описывающих эти частицы и взаимодействия. Вместе эти уравнения сформировали лаконичную теорию, известную теперь как Стандартная модель физики элементарных частиц.
В Стандартной модели отсутствует несколько частей пазла (явно отсутствуют предполагаемые частицы, составляющие темную материю, частицы, передающие силу гравитации, и объяснение массы нейтрино), но она дает чрезвычайно точную картину почти всех других наблюдаемых явлений.
Тем не менее, для структуры, которая выражает наше лучшее понимание фундаментального порядка природы, Стандартной модели по-прежнему не хватает последовательной визуализации. Большинство попыток слишком просты, либо игнорируют важные взаимосвязи, либо беспорядочные и непосильные.
Рассмотрим наиболее распространенную визуализацию, которая показывает периодическую таблицу частиц:
Этот подход не дает понимания взаимоотношений между частицами. Несущие силу частицы (а именно фотон, передающий электромагнитную силу; бозоны W и Z, передающие слабую силу; и глюоны, передающие сильную силу), приравниваются к частицам материи, между которыми действуют эти силы - кваркам, электронам и им подобным. Кроме того, не учитываются такие ключевые свойства, как «цвет».
Другое представление было разработано для фильма «Страсти по частицам» 2013 года:
Хотя эта визуализация правильно подчеркивает центральность бозона Хиггса - стержня Стандартной модели, по причинам, объясненным ниже, - бозон Хиггса помещен рядом с фотоном и глюоном, хотя на самом деле Хиггс не влияет на эти частицы. И квадранты круга вводят в заблуждение - подразумевая, например, что фотон связывается только с частицами, которых он касается, что не так.
Новый подход
Крис Куигг, физик по элементарным частицам из Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Иллинойсе, десятилетиями думал о том, как визуализировать Стандартную модель, надеясь, что более мощное визуальное представление поможет познакомить людей с известными частицами природы и побудить их задуматься о том, как эти частицы могут вписаться в более крупную и полную теоретическую основу. Визуальное представление Куигга больше показывает порядок и структуру, лежащую в основе Стандартной модели. Он называет свою схему представлением «двойного симплекса», потому что каждая из левых и правых частиц природы образует симплекс - обобщение треугольника. Мы приняли схему Куигга и внесли дополнительные изменения.
Давайте построим двойной симплекс с нуля.
Кварки в основе
Частицы материи бывают двух основных разновидностей: лептоны и кварки. (Обратите внимание, что для каждого вида частиц материи в природе существует также частица антивещества, которая имеет ту же массу, но противоположна во всех других отношениях. Как и в других визуализациях Стандартной модели, мы исключили антивещество, которое образовало бы отдельный , перевернутый двойной симплекс.)
Начнем с кварков и, в частности, с двух типов кварков, из которых состоят протоны и нейтроны внутри атомных ядер. Это верхний кварк, который обладает двумя третями единицы электрического заряда, и нижний кварк с электрическим зарядом -1/3.
Верхние и нижние кварки могут быть «левыми» или «правыми» в зависимости от того, вращаются ли они по часовой стрелке или против часовой стрелки относительно направления своего движения.
Слабое изменение
Левосторонние верхние и нижние кварки могут превращаться друг в друга посредством взаимодействия, называемого слабым взаимодействием. Это происходит, когда кварки обмениваются частицей, называемой W-бозоном - одним из носителей слабого взаимодействия с электрическим зарядом +1 или -1. Эти слабые взаимодействия представлены оранжевой линией:
Как ни странно, в природе нет правых W-бозонов. Это означает, что правосторонние верхние и нижние кварки не могут испускать или поглощать W-бозоны, поэтому они не превращаются друг в друга.
Яркие цвета
Кварки также обладают зарядом, называемым цветом. Кварк может иметь заряд красного, зеленого или синего цвета. Цвет кварка делает его чувствительным к сильному взаимодействию.
Сильное взаимодействие связывает кварки разных цветов вместе в составные частицы, такие как протоны и нейтроны, которые являются «бесцветными» и не имеют чистого цветового заряда.
Кварки переходят из одного цвета в другой, поглощая или испуская частицы, называемые глюонами, носителями сильного взаимодействия. Эти взаимодействия образуют стороны треугольника. Поскольку глюоны сами обладают цветным зарядом, они постоянно взаимодействуют друг с другом, а также с кварками. Взаимодействия между глюонами заполняют треугольник.
Больше Материи
Теперь обратимся к лептонам, другому типу частиц материи. Лептоны бывают двух типов: электроны с электрическим зарядом -1 и нейтрино электрически нейтральные.
Как и в случае левосторонних верхних и нижних кварков, левосторонние электроны и нейтрино могут превращаться друг в друга посредством слабого взаимодействия. Однако правые нейтрино в природе не наблюдались.
Обратите внимание, что лептоны не обладают цветным зарядом и не взаимодействуют посредством сильного взаимодействия; это главная особенность, которая отличает их от кварков.
Симплексный скелет
Объединив то, что мы сделали до сих пор, мы получили левосторонние частицы слева, а правые частицы показаны справа. Они образуют основной каркас двойного симплекса Куигга.
Три поколения
Теперь сложность: по неизвестным причинам существуют три постепенно более тяжелых, но в остальном идентичных версии каждого типа частиц материи. Например, наряду с верхним и нижним кварком есть очарованный и странный кварк и, что еще тяжелее, верхний и нижний кварк. То же самое и с лептонами: наряду с электроном и электронным нейтрино существуют мюон и мюонное нейтрино, а также тау-частица и тау-нейтрино. (Обратите внимание, что нейтрино имеют небольшие, но неизвестные массы.)
Все эти частицы живут в углах двойного симплекса. Обратите внимание, что между левыми кварками разных поколений происходит небольшое слабое взаимодействие, так что верхний кварк может иногда выплевывать бозон W + и становиться, например, странным кварком. Не было замечено, что лептоны разных поколений взаимодействуют таким образом.
Силы и заряд
Как еще частицы взаимодействуют друг с другом? Мы уже упоминали, что многие частицы материи имеют электрический заряд - фактически все, кроме нейтрино. Наличие электрического заряда означает, что эти частицы чувствительны к электромагнитной силе. Они взаимодействуют друг с другом, обмениваясь фотонами, носителями электромагнитной силы. Мы представляем электромагнитные взаимодействия в виде волнистых линий, соединяющих заряженные частицы друг с другом. Обратите внимание, что эти взаимодействия не превращают частицы друг в друга; в этом случае частицы просто ощущают толчок или притяжение.
Слабое взаимодействие немного сложнее, чем мы предполагали ранее. Помимо бозонов W + и W– - электрически заряженных носителей слабого взаимодействия - существует также нейтральный носитель слабого взаимодействия, называемый бозоном Z0. Частицы могут поглощать или испускать Z0-бозоны, не меняя идентичности. Как и в случае электромагнитных взаимодействий, эти «слабые нейтральные взаимодействия» просто вызывают потерю или усиление энергии и импульса. Слабые нейтральные взаимодействия представлены здесь оранжевыми волнистыми линиями.
Неслучайно слабые нейтральные взаимодействия очень похожи на электромагнитные. И слабые, и электромагнитные силы происходят от единой силы, существовавшей в первые моменты существования Вселенной, называемой электрослабым взаимодействием.
Когда Вселенная остыла, произошло событие, известное как нарушение электрослабой симметрии, разделившее силы на две части. Это событие ознаменовалось внезапным появлением распространяющегося по всему пространству поля, известного как поле Хиггса, которое связано с частицей, называемой бозоном Хиггса, - последним фрагментом нашей головоломки.
Введение бозона Хиггса
Бозон Хиггса - это стержень Стандартной модели и ключ к пониманию того, почему двойное симплексное расположение имеет смысл. Когда поле Хиггса возникло в ранней Вселенной, оно соединило левые и правые частицы друг с другом, одновременно наделяя частицы тем свойством, которое мы называем массой. (Обратите внимание, что нейтрино имеет массу, но его происхождение остается загадочным, поскольку оно происходит от какого-то механизма, отличного от Хиггса.)
Вот мультяшная версия того, как работает это массовое поколение. Когда частица, такая как электрон, движется в пространстве, она постоянно взаимодействует с бозонами Хиггса - возбуждениями поля Хиггса. Когда левосторонний электрон сталкивается с бозоном Хиггса, электрон может рикошетить от него в новом направлении и стать правым, затем врезаться в другого Хиггса и снова стать левым, и так далее. Эти взаимодействия замедляют электрон, и это то, что мы подразумеваем под «массой».
В общем, чем больше частица взаимодействует с бозоном Хиггса, тем больше у нее массы. Более того, частые взаимодействия с бозонами Хиггса делают эти массивные частицы квантовыми смесями левых и правых.
Итак, у нас есть Стандартная модель физики элементарных частиц:
Модель Елены Шмахало / Quanta Magazine
2D-версия полной двойной симплексной модели доступна здесь.
