Затем история повторилась. В 1970-х годах была обнаружена тау-частица (тау-лептон), отрицательно заряженная, как и электрон, но тяжелая – даже тяжелее мюона. Эти три частицы оказались очень похожими – практически кузенами, отличаясь только массами. В частности, все они ощущают действие слабых и электромагнитных сил, но не чувствуют сильное взаимодействие. И тау-частица тоже имеет свое собственное нейтрино, существование которого предполагалось, но до 2000 года поймать его не смогли.

Итак, мы уже знаем по крайней мере шесть лептонов, которые образуют три «семейства» или, как их называют, «поколения»: электрон и его нейтрино, мюон и его нейтрино и тау-частица и ее нейтрино. Совершенно естественно задаться вопросом, не обнаружится ли за ними еще четвертое, пятое и так далее поколения. Сейчас есть некоторые доказательства того, что этими тремя поколениями все лептоны исчерпываются. Известные нейтрино имеют очень малую массу – они, безусловно, намного легче электрона. Теперь понятно, как искать новые легкие частицы, тщательно анализируя распады более тяжелых частиц. Ученые посчитали, сколько видов нейтриноподобных частиц должно существовать, чтобы объяснить эти распады, и получили, что их должно быть три. Конечно, нельзя быть до конца уверенным, что где-то еще не скрываются и другие похожие частицы, допустим, с аномально большими массами, но скорее всего физики нашли все возможные нейтрино (и следовательно, число поколений лептонов исчерпывается тремя).

Меж тем и адронная физика не стояла на месте. Появление ускорителей частиц в середине XX века привело к буму элементарных частиц. Были открыты пионы, каоны, эта-мезоны, ро-мезоны, гипероны и многие другие частицы. Уиллис Лэмб, произнося свою Нобелевскую лекцию в 1955 году, пошутил: «Раньше за открытие новой элементарной частицы обычно награждали Нобелевской премией, а теперь за это следует штрафовать на 10 000 долларов».

Все эти новые частицы были адронами, и, в отличие от лептонов, сильно взаимодействовали с нейтронами и протонами. Вскоре физики начали подозревать, что эти «понаехавшие» адроны вообще не очень «элементарные» частицы и в их основе лежит некая более глубокая базовая структура.

Загадка была разгадана в 1964 году Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом, независимо друг от друга предположившими, что адроны состоят из более мелких частиц, названных кварками. Как и лептонов, кварков шесть типов, или, как принято говорить, шесть ароматов: верхний (up), нижний (down), очарованный (charm), странный (strange), истинный (top, truth) и прелестный (beauty, bottom). Верхние, очарованные и истинные кварки имеют электрический заряд +2/3, в то время как нижние, странные и прелестные кварки имеют заряд −1/3. Иногда их разбивают на две группы: кварки «верхнего типа» и «нижнего типа» соответственно.

Три поколения кварков Стандартной модели.

Более крупные частицы представлены более крупными кружками.

В отличие от лептонов каждый аромат кварков в действительности представляет собой не одну частицу, а триплет частиц. Три вида каждого кварка различают, приписав каждому виду определенный цвет: красный, зеленый и синий. Названия забавные, но никакого отношения к реальности они не имеют – на самом деле увидеть кварки невозможно, но если бы вам все-таки удалось это сделать, вы убедились бы, что они точно не раскрашены в разные цвета.

Кварки нельзя наблюдать по отдельности, а это значит, что они существуют только в некоторых комбинациях внутри адронов (явление конфайнмента), причем эти комбинации всегда «бесцветные». Протоны и нейтроны состоят из трех кварков. Протон – из двух верхних и одного нижнего, а нейтрон – из двух нижних и одного верхнего. Один из этих кварков будет красным, один – зеленым, и один – синим, а вместе они дают белый цвет, который считается бесцветным в принятой терминологии. Позже мы увидим, что внутри нуклонов появляются и исчезают «виртуальные» пары кварк-антикварк, но они возникают в виде комбинаций «кварк определенного цвета – антикварк противоположного цвета», так что общая «белизна» не нарушается.

Глядя на изображения лептонов и кварков, нельзя не заметить некоторые закономерности. В обоих случаях у нас есть шесть типов частиц. И эти шесть типов в точности разбиваются на три пары, по две частицы в каждой, причем в каждой паре электрический заряд отличается от заряда соседней пары на единицу. Можно ли найти более глубокое объяснение такой закономерности? Можно, по крайней мере отчасти. Две частицы в каждой паре – например, электрон и его нейтрино – были бы совершенно идентичными, если бы не вездесущее поле Хиггса, заполнившее пустое пространство. Такая закономерность – демонстрация роли поля Хиггса в качестве нарушителя симметрий, и в следующих главах этой книги мы эту роль рассмотрим более внимательно.

Все объекты вокруг нас обладают размером и формой, и этим они обязаны фермионам Стандартной модели. А вот взаимодействовать этим фермионам друг с другом позволяют именно силы и связанные с ними частицы – бозоны. Фермионы могут притягивать или отталкивать друг друга, перебрасываясь бозонами. Также они могут терять энергию или распадаться на другие фермионы, выплевывая какие-то бозоны. Без бозонов фермионы просто летели бы вечно каждый по своей прямой, не взаимодействуя ни с чем остальным во Вселенной. И причина, по которой Вселенная стала столь сложной и интересной, в том, что все эти силы разные, и они толкают и тянут фермионы дополняющими друг друга способами.

Бозоны в Стандартной модели. (В этой книге мы включили и гравитоны в Стандартную модель, хотя это не всегда делается.)

Все эти бозоны электрически нейтральны, за исключением W-бозонов, и имеют нулевую массу, за исключением W– и Z-бозонов и бозона Хиггса.

Физики часто говорят, что существуют четыре силы природы, при этом они не включают в расчет поле Хиггса, и не только потому, что потребовалось много времени, чтобы его обнаружить. Бозон Хиггса отличается от других бозонов. У других бозонов – так называемых «калибровочных бозонов» – существует глубинная связь с основными симметриями природы, и об этом мы поговорим в главе 8. Гравитон, правда, тоже немного отличается от них. Каждая элементарная частица имеет определенный внутренний «спин». Фотон, глюоны и W– и Z-бозоны имеют спин, равный единице, в то время как спин гравитона равен двум. (См. Приложение 1, где о спине рассказано более детально.) Мы еще не знаем, как на гравитацию распространить требования квантовой механики, но, видимо, гравитон все же правильнее будет назвать калибровочным бозоном.

А вот бозон Хиггса совершенно иной. Его мы называем «скалярным» бозоном, а это значит, что он имеет нулевой спин. В отличие от калибровочных бозонов бозон Хиггса не навязан нам симметрией или любым другим глубоким принципом природы. Мир без поля Хиггса выглядел бы совсем иначе, но при этом прекрасно описывался бы непротиворечивой физической теорией. При всей его важности бозон Хиггса выглядит инородной заплаткой на красивой математической структуре Стандартной модели. Тем не менее это бозон, и, следовательно, другие частицы могут им перекидываться, а значит, возникает сила природы.

Бозон Хиггса является колебанием поля Хиггса, а поле Хиггса дало массу всем массивным элементарным частицам. Так что бозон Хиггса взаимодействует со всеми массивными частицами из нашего «зоопарка» – кварками, заряженными лептонами, а также W– и Z-бозонами. (Вопрос о массах нейтрино до сих пор полностью не закрыт, так что давайте делать вид, что они не взаимодействуют с полем Хиггса, хотя окончательный приговор по их делу еще не вынесен.) На самом деле все происходит наоборот: чем сильнее частица взаимодействует с полем Хиггса, тем большей массой она обрастает при перемещении в этом поле, заполняющем все пустое пространство.