На самом деле далеко не все элементарные частицы действительно элементарны. Есть элементарные лептоны (электрон е, электронное нейтрино ve, мюон μ, мюонное нейтрино, τ-лептон τ и τ-нейтрино vτ со своими античастицами) и шесть элементарных кварков (плюс шесть антикварков): верхний и, нижний d, странный s, очарованный с, прекрасный b и правдивый t. Кварки, соединяясь по два или по три, образуют все остальные частицы, кроме лептонов, переносчиков взаимодействий — фотонов, W- и Z-бозонов (ответственных за слабое взаимодействие, которое приводит, например, к обсуждавшемуся уже здесь β-распаду ядер), глюонов (соединяющих кварки за счет сильного взаимодействия) и гравитонов (не открытых пока экспериментально частиц, ответственных за гравитацию) — и некоторых других частиц (о них чуть ниже). Например, комбинация uud соответствует протону, a ddu — нейтрону. Кварки, естественно, никто не видел в свободном состоянии из-за конфайнмента, то есть удержания (считается, что по мере удаления кварков друг от друга связывающая их сила не убывает, а возрастает, и поэтому их невозможно оторвать друг от друга). Но эксперименты по рассеянию электронов на нуклонах ясно показывают наличие трех рассеивающих центров — партонов, которые и есть кварки.
Основная задача современной физики — поиск простых законов, способных объединить все четыре известных взаимодействия в одно-единственное, проявляющееся в разных формах. При этом лептоны, кварки и переносчики взаимодействий описывались бы теорией как разные состояния одних и тех же частиц. Фундаментальным понятием в таких теориях объединения выступают различные формы симметрии. Этот путь, начатый в середине XIX века Джеймсом Максвеллом, который объединил магнитное и электрическое взаимодействия, пока далеко не пройден и требует еще многих усилий как теоретиков, так и экспериментаторов.
Симметрия в самом общем виде — это неизменность свойств системы при каком-либо ее преобразовании. Простейшая геометрическая симметрия известна из школьного курса. Например, круг не меняется как при зеркальном отражении относительно оси, проходящей по его диаметру (зеркальная симметрия) или при повороте вокруг центра на любой угол (поворотная симметрия). Пример более сложной симметрии — почти полная независимость уравнений электродинамики относительно замены электрического поля на магнитное, и наоборот. Поиском таких (и еще более сложных) симметрий и занята современная физика в попытках построить единую теорию взаимодействий.
Неоткрытые частицы: магнитные монополи и бозоны Хиггса
Физическая теория предсказывает несколько частиц, которые до сих пор не открыты, но физики продолжают верить в их существование, поскольку оно следует из теорий, более или менее точно предсказывающих наблюдаемые факты. W- и Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия — долгое время также были гипотетическими частицами, но в 1983 году их экспериментально обнаружила группа Карло Руббиана на ускорителе в Европейском центре ядерных исследований. Причем с теми в точности свойствами (включая массу), какие предсказывала теория! Здесь мы расскажем о двух частицах: магнитном монополе и бозоне Хиггса, хотя на самом деле гипотетических частиц, предсказанных «на кончике пера», но пока не открытых, гораздо больше.
Итак, магнитный монополь. Электрические и магнитные силы известны с глубокой древности. В начале XIX века между ними была обнаружена глубокая связь. Ханс Кристиан Эрстед открыл, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, а Майкл Фарадей показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. В 60-е годы XIX века Джеймс Клерк Максвелл построил первую теорию, объединяющую два взаимодействия, которые до тех пор рассматривались как две совершенно независимые силы. На основе этих уравнений были предсказаны электромагнитные волны. Уравнения Максвелла почти симметричны — замена в них электрического поля (Е или D) на магнитное поле (Н или В) почти не изменяет систему. Именно это придает им ту красоту и элегантность, которая вот уже полтораста лет восхищает физиков.
Мудрость, заключенная в уравнениях, вполне поддается переводу на общечеловеческий язык. Первые два гласят, что вихрь магнитного поля порождается электрическим током, а вихрь электрического — изменением магнитного поля. Третье — что источником электрического поля служит заряд, а четвертое — что у магнитного поля источника нет.
Теория Максвелла демонстрирует колоссальные возможности математики в описании мира, а также роль симметрии как путеводного научного принципа. Почему уравнения «почти» не полностью симметричны? Потому, что частицы с электрическими зарядами (положительными и отрицательными) существуют, тогда как магнитные заряды никогда не наблюдают по отдельности. У магнита всегда два полюса на двух его концах — положительный и отрицательный, и магнитное поле вокруг него есть результирующее поле обоих полюсов. Невозможно отделить от магнита один полюс: любой магнит, разделенный на две части, становится не двумя магнитными полюсами, а двумя новыми магнитами. Эта асимметрия уравнений Максвелла отражает результаты наблюдений.
В 1931 году английский физик Поль Дирак обратил внимание, что уравнения Максвелла обладали бы абсолютной симметрией, если предположить существование магнитного заряда, который создавал бы радиальное магнитное поле, аналогично тому, как электрический заряд создает электрическое поле. Дирак показал также, что существование хотя бы одного магнитного заряда во Вселенной автоматически ведет к требованию квантования электрического заряда — это естественным образом объяснило бы, почему все наблюдаемые электрические заряды кратны элементарному заряду, равному заряду электрона. Итак, Дирак постулировал существование частицы с магнитным зарядом, которая получила название «магнитный монополь», а ее поисками физики заняты уже 75 лет. Важно, что предсказание Дирака не опиралось на результаты наблюдений, а было продиктовано исключительно эстетическими соображениями. Природа, по убеждению Дирака, должна быть устроена красиво, а основа любой красоты — симметрия.
Из теории Дирака отнюдь не следует, что магнитные монополи непременно существуют. Она просто показывает, как красиво был бы устроен мир, будь в нем хоть один монополь. И вот в середине 70-х годов XX века идеи Дирака получили второе дыхание. Голландец Герард Хоофт и советский физик Александр Поляков независимо друг от друга показали, что магнитные монополи должны существовать в природе, они возникают как естественное решение в уравнениях теории объединения взаимодействий. Монополь Хоофта-Полякова должен быть очень массивным (около 1016 масс протона, то есть достигать массы амебы!) и обладать сложной внутренней структурой.
За 75 лет, прошедших с опубликования работы Дирака, были поставлены сотни сложнейших экспериментов по поиску монополей, однако ни один из них пока не привел к успеху. Монополи искали в экспериментах на ускорителях, в космических лучах, в лунном грунте, в океанических донных отложениях, в древних образцах слюды, но, увы, безуспешно. Тем не менее физики не теряют надежды обнаружить эту частицу.
Одна из сложностей современной теории элементарных частиц в том, что до сих пор не объяснено, откуда у частиц берется масса. В 1964 году Питер Хиггс предложил механизм, в котором масса материи формируется так называемыми бозонами Хиггса. Есть неплохое шуточное объяснение этого механизма, которое предложил Дэвид Миллер. Вот оно: «Представьте коктейльную вечеринку, на которой гости равномерно заполнили зал… Входит Маргарет Тэтчер. Все хотят приблизиться к ней. При дальнейшем своем движении она притягивает стоящих перед ней. Те, кто остался позади, снова равномерно заполняют зал. Группа вокруг нее имеет большую массу, чем обычно». Бозоны Хиггса до сих пор не обнаружены в экспериментах. Физики надеются, что это будет сделано в ближайшие годы на LHC— громадном ускорителе элементарных частиц в Женеве.
