Из чего состоит всё
Физика элементарных частиц ищет фундаментальные «кирпичики» материи и силы, которые их скрепляют. Атом — далеко не предел деления: протон и нейтрон состоят из кварков, связанных глюонами. Электрон — лептон, не имеющий внутренней структуры (точечный, насколько измерено: <10⁻¹⁸ м). Все взаимодействия — обмен частицами-переносчиками: фотон переносит электромагнитную силу, глюон — сильную, W/Z-бозоны — слабую.
Стандартная модель: 17 частиц описывают всю материю
Стандартная модель — наиболее успешная физическая теория, проверенная тысячами экспериментов. В ней 17 фундаментальных частиц:
12 фермионов (частицы материи): 6 кварков (верхний u, нижний d, странный s, очарованный c, прелестный b, истинный t) и 6 лептонов (электрон e, мюон μ, тау-лептон τ + 3 нейтрино). Фермионы подчиняются принципу запрета Паули: два одинаковых фермиона не могут занимать одно состояние.
4 калибровочных бозона (переносчики сил): фотон γ (электромагнетизм, безмассовый, дальнодействие ∞), 8 глюонов g (сильная сила, конфайнмент ~10⁻¹⁵ м), W± и Z⁰ (слабая сила, масса ~80–91 ГэВ, дальнодействие ~10⁻¹⁸ м).
1 бозон Хиггса H (масса 125 ГэВ) — квант поля, дающего массу другим частицам через механизм спонтанного нарушения симметрии.
Протон = uud (2 верхних + 1 нижний кварк), нейтрон = udd. Кварки не существуют свободно — конфайнмент: сильная сила растёт с расстоянием, не позволяя кваркам разлететься. При попытке оторвать кварк энергия столь велика, что рождается новая пара кварк-антикварк.
История открытий: от электрона до Хиггса
Джозеф Джон Томсон (1897) открыл электрон — первую элементарную частицу. Эрнест Резерфорд (1911) обнаружил ядро атома. Поль Дирак (1928) предсказал антиматерию, Карл Андерсон (1932) нашёл позитрон (анти-электрон) в космических лучах. Мюррей Гелл-Манн (1964) предложил кварковую модель, эксперименты в SLAC (1968) подтвердили существование кварков внутри протона.
Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг (Нобелевская 1979) объединили электромагнетизм и слабое взаимодействие — электрослабая теория. W и Z бозоны обнаружены Карло Руббиа в CERN (1983, Нобелевская 1984).
Бозон Хиггса — последняя частица Стандартной модели. Предсказан Питером Хиггсом и Франсуа Англером (1964). Обнаружен на Большом адронном коллайдере (БАК) 4 июля 2012 года экспериментами ATLAS и CMS. Нобелевская премия 2013 года.
Коллайдеры: микроскопы высоких энергий
Ускорители разгоняют частицы до скоростей, близких к световой, и сталкивают их. Кинетическая энергия превращается в массу новых частиц (E = mc²). Большой адронный коллайдер (CERN, Женева): кольцо 27 км, энергия столкновений 13,6 ТэВ, ~1 млрд столкновений протонов в секунду. 10 000+ учёных из 100+ стран. Стоимость: ~$4,75 млрд. Планируемый преемник — Future Circular Collider (FCC, 91 км, ~2040-е).
За Стандартной моделью: нерешённые вопросы
Стандартная модель не включает гравитацию (нет квантовой теории гравитации), не объясняет тёмную материю (27% Вселенной), тёмную энергию (68%), асимметрию материи и антиматерии (почему материя «победила»), массы нейтрино (обнаружены нейтринные осцилляции, Нобелевская 2015). Кандидаты на «Новую физику»: суперсимметрия (SUSY), теория струн, петлевая квантовая гравитация — но экспериментальных подтверждений пока нет.