Вы когда-нибудь задумывались, почему в новостях всегда трубят про Большой адронный коллайдер, где сталкивают протоны, но почти молчат про столкновения электронов? Казалось бы, электрон — частица легендарная. Она везде: в розетке, в молнии, в вашем телефоне. Стоит предположить, что если взять два таких «магических» шарика, разогнать их до скорости света и ударить лоб в лоб, должно произойти что-то грандиозное. Рождение сверхновой? Черная дыра? Портал в другое измерение?
Спойлер: всё гораздо прозаичнее. И, честно говоря, скучнее. Но именно эта «скука» объясняет, как устроена наша Вселенная.
Эффект бильярдных шаров (с нюансом)
Давайте сразу к делу. Что случится в момент удара? Представьте, что вы кидаете друг в друга два теннисных мячика. Они стукаются и отлетают. С электронами происходит почти то же самое, только они даже не касаются друг друга.
У электронов одинаковый отрицательный заряд. А одноименные заряды, как мы помним из школы, отталкиваются. Если разогнать их очень сильно, они, конечно, сблизятся, но их мощные электромагнитные поля сработают как пружины. Электроны просто разлетятся в разные стороны, как испуганные коты.
Максимум, что мы получим в качестве бонуса, — это вспышка света. При резком торможении и повороте (рассеянии) они могут испустить пару фотонов. И всё. Никаких бозонов Хиггса, никаких экзотических монстров из глубин материи.
Почему так уныло? Дело в «анатомии». Электрон — это лептон. По современным представлениям, он фундаментален. Это значит, что он цельный. Внутри него ничего нет. Это точка. А когда вы сталкиваете две точки, им нечем разваливаться.
Почему с протонами всё иначе?
А вот протон — это совсем другое дело. Это не точка, а мешок с подарками. Внутри него кипит "суп" из кварков и глюонов.
Представьте, что вы сталкиваете на трассе два грузовика, набитых фейерверками, запчастями и краской (это протоны). При ударе всё содержимое вылетает наружу, смешивается, взрывается, и в этом хаосе рождаются новые, удивительные вещи. Кварки одного протона встречаются с антикварками другого, глюоны (частицы-клей) взаимодействуют друг с другом. Именно из этой каши энергии рождаются тяжелые частицы вроде того же бозона Хиггса.
Электрон же — это не грузовик. Это, скорее, монолитный стальной шарик. Разбить его не получается (пока что), как ни старайся.
А если очень хочется «бабах»?
Неужели физики поставили крест на электронах? Конечно нет. Просто чтобы получить из них что-то интересное, нужно нарушить правило «одинаковости».
Чтобы создать новую материю из электрона, нужно ударить его не об брата-близнеца, а об его злого двойника — позитрона (антиэлектрона). Вот тогда начнется настоящее веселье. Частица и античастица при встрече аннигилируют — то есть полностью исчезают, превращаясь в чистую энергию. И уже из этой энергии, как по волшебству, могут родиться Z-бозоны и прочая экзотика.
Есть еще один красивый способ понять, почему два электрона не могут просто взять и превратиться во что-то иное. Это диаграммы Фейнмана — "каракули", которыми физики рисуют взаимодействия частиц.
Там есть жесткие правила дорожного движения. Линии фермионов (к которым относятся электроны) должны быть непрерывными. Нельзя просто прервать линию электрона и нарисовать на ее месте что-то другое. Входящая стрелка всегда должна иметь выходящую.
Грубо говоря, если в реакцию вошли два электрона, то и выйти должны два электрона (плюс, возможно, немного света). Природа очень строго следит за бухгалтерией: нельзя просто так взять и превратить два минуса в неизвестно что.
Так что, если вы мечтали увидеть эпичную битву двух электронов, вынужден вас разочаровать. Это будет самый короткий и бескровный поединок в истории физики. Они просто разойдутся, вежливо посветив друг другу фотонами на прощание.