До каких пределов можно делить материю? Сколько живут элементарные частицы и почему кварки не бывают свободными? Что делает Стандартную модель самой успешной теорией в истории физики? Об этом и многом другом рассказывает Дмитрий Игоревич КАЗАКОВ — член-корреспондент РАН, профессор, доктор физико-математических наук, директор Лаборатории теоретической физики Объединенного Института ядерных исследований (г. Дубна).
— Когда-то атом считался неделимым и был основной структурной единицей, затем стали задумываться о его ядре: может, и ядро можно разложить на более мелкие части? Оказалось, что да. А после и содержимое ядра атома — протон и нейтрон — оказались не конечной точкой: там мы обнаружили кварки, которые на сегодняшний день и являются элементарными частицами. А до какого предела мы вообще можем так препарировать наши частицы? И может ли быть что-то более фундаментальное, чем кварки?
— Приведу очень хорошую аналогию с русской матрешкой: у матрешки есть несколько слоев, но в конечном счете вы упираетесь в самую маленькую матрешку, и она уже никак не открывается. Мы не знаем, на самом деле, как устроена природа и как много слоев у нее есть, как много матрешек спрятано внутри.
Да, когда-то и атом считался неделимым, потом ядро и так далее. То есть постепенно мы достигаем всё меньших и меньших масштабов и на этих масштабах видим всё новые структуры. А как долго это будет продолжаться — мы не знаем. Сегодня современная теория доходит до уровня кварков и лептонов, которые считаются неделимыми частицами. Пока что оснований для того, чтобы считать кварки и лептоны составными, нет. Когда возникли кварки — составляющие нейтрона и протона — на то была мотивация. Это было связано с тем, что элементарных частиц (то, что называлось в тот момент элементарными частицами) возникло большое количество, их открывали в космических лучах и на ускорителях. Обнаружилось около сотни различных частиц, требовалось их как-то классифицировать, понять структуру, понять, сколько их, как они устроены. И вот такая классификация возникла: она называлась восьмеричным путём, потому что элементарные частицы образовывали группы из восьми частиц.
Структура атома.
Из презентации Д.И. Казакова.
Классификация Стандартной модели была основана на математическом аппарате: так называемой группе симметрии, когда частицы собираются в определенные наборы — мы их называем мультиплеты. Частицы образовывали такие мультиплеты, они постепенно заполняли клеточки в этих мультиплетах, и возникло понимание того, как эти мультиплеты сформированы. Оказалось, что если представить себе, что всё состоит из более мелких частиц, которые впоследствии получили название кварков, то очень хорошо объясняются все эти мультиплеты; потому что все частицы, как из кубиков, складываются из кварков. Сначала кварков было три, это было основой классификации, но потом их число выросло, и теперь мы имеем шесть кварков. Есть некие основания полагать, что на этом природа остановилась, что кварков не существует больше, чем шесть. Но тогда возникает резонный вопрос: может быть, кварки тоже из чего-то состоят? Но, как я уже сказал, никаких оснований для предположений об этом нет, хотя отрицать это, конечно, невозможно. Однако современная классификация не требует, чтобы существовали еще более мелкие структуры для объяснения простоты Стандартной модели.
Стандартная модель фундаментальных взаимодействий — это теория, описывающая фундаментальные квантовые поля, взаимодействия между ними и кванты этих полей — элементарные частицы.
— А есть какой-то физический или математический закон, который бы ограничивал количество возможностей делить материю? Некий предел, дальше которого она просто не делится?
— Никаких таких условий нет. У нас, по сути дела, есть только один масштаб, который нам, можно сказать, природа задала: это очень маленький масштаб — масштаб гравитации. Он определяется Ньютоновской константой всемирного тяготения – это размерная величина, и ее размерность – единица, деленная на массу в квадрате; и она задает тем самым масштаб, и этот масштаб очень маленький, его называют планковским масштабом. Он равен 10 -34 см, и это единственный масштаб, который нам задан природой и который мы пока знаем. Меньше гравитационного масштаба, может быть, ничего и не существует, потому что там, предположительно, квантовая гравитация правит всем. Добраться на ускорителе до таких масштабов невозможно. В этом смысле мы смотрим на Вселенную как на некое окошко в мир вот таких масштабов. Есть еще, конечно, масштаб, связанный с элементарными частицами, этот масштаб примерно 10 -16 см — так называемый электрослабый масштаб, но между этим масштабом и планковским масштабом существует пустыня. Заполнена ли она чем-нибудь? Мы пока не знаем.
Стандартная модель.
Иллюстрация: журнал «Нож».
— А если вспомнить о Теории струн, в ней предполагается, что всё, в том числе и кварки, соткано из вибрирующих струн? То есть, согласно этим представлениям, струна более фундаментальна, чем кварк?
— Да, это так. Есть модели, выходящие за рамки Стандартной модели фундаментальных взаимодействий. Они объединяют разные взаимодействия. В теории струн предполагается, что элементарным объектом являются не точечные частицы (кварки), а протяженные объекты (струны). Эти струны могут быть открытыми, то есть иметь два конца, могут быть замкнутыми в виде колечек. Струны вибрируют точно так же, как вибрируют обычные музыкальные струны, и вибрация этих самых струн – это и есть элементарные частицы. В этой концепции элементарные частицы возникают как вибрации струны, они не из чего не состоят, и в этом смысле более глубокой структуры не требуется в обычном понимании, то есть кварки ни из чего не состоят — они есть просто вибрация это самой струны. Правильная ли это концепция или неправильная — мы в настоящий момент не знаем и пытаемся это выяснить, пытаемся найти следствие этой гипотезы.
— Почему кварки неотделимы друг от друга? Почему их невозможно выбить из атома и наблюдать каждого по отдельности? Как это делается, например, с электронами.
— Когда идея кварков родилась, сначала предполагалось, что это математические абстракции, которые помогают в классификации элементарных частиц. Но потом в экспериментах на ускорителях было обнаружено, что кварки выступают как нормальные физические объекты. Если, например, рассмотреть рассеяние электрона на протоне, то оказывается, что электрон рассеивается на протоне так, как если бы внутри протона существовало три точечных объекта, на которых, собственно, он и рассеивается. Когда мы наблюдаем, сколько частиц под какими углами вылетает и с какими энергиями, то видим, что в протоне есть три центра рассеивания, то есть три кварка. Поэтому о кварках стали говорить как о реальных физических частицах.
Слово «кварк» было заимствовано из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Слова «Три кварка для мистера Марка!» в романе выкрикивали чайки. В немецком языке слово Quark имеет значения «творог» и «чепуха». Американский физик-теоретик Марри Гелл-Манн предложил использовать причудливое слово «кварк» для обозначения новых элементарных частиц.
Иллюстрация: из презентации д.ф.-м.н. В.А. Петрова.
У кварков, согласно этой математической схеме, имеется дробный электрический заряд, то есть электрический заряд кратен 1/3 от заряда электрона. Далее стали искать частицы с дробным зарядом в природе. Были многочисленные поиски, но такие частицы найдены не были, то есть все частицы, которые мы наблюдаем, всегда имеют целочисленный заряд в единицах заряда электрона. В общем, в свободном состоянии кварки не были найдены. Тогда родилась гипотеза о том, что они в принципе и не могут существовать в свободном состоянии, что они всегда должны быть заперты внутри элементарных частиц, внутри протонов, нейтронов и других сильно взаимодействующих частиц.
Что значит заперты? Это значит, что они не могут оттуда вылететь, ведь их связывают между собой некие силы, которые их оттуда не выпускают. Эти силы нам известны: это – сильное взаимодействие, это есть обмен глюонами.
Глюоны – это частицы, которые переносят сильное взаимодействие. Они получили свое название от английского слова "клей" (glue), то есть это склеивающие частицы, которые и держат между собой кварки; и когда кварки начинают расходиться друг от друга на какое-то большое расстояние, стремясь, скажем, вылететь из протона, то глюоны образуют струну, которая натягивается между кварками и просто их не выпускает. Это своеобразное пленение кварков возникает за счет того, что глюоны их не отпускают. То, что кварки никогда не могут вылететь из ядра, это всё еще гипотеза, но успешно подтвержденная многочисленными экспериментальными данными.
— Правда ли, что глюоны дают наибольший вклад в массу материи, что, по сути, всё вокруг состоит преимущественно из этого клея?
— Сильно взаимодействующие частицы, к которым относятся протон и нейтрон, состоят из кварков. Кварки (их шесть) бывают легкие и тяжелые. Действительно, очень легкие кварки быстро движутся, есть большая энергия их взаимодействия и масса протона и нейтрона, то есть масса ядер, то есть масса нас с вами, по сути дела, в основном даётся энергией взаимодействия вот этих самых кварков за счет глюонов. Эта глюонная каша, которая возникает внутри протона и нейтрона, связывает эти кварки, дает самый главный (более 90%) вклад в массу протона, и тем самым в массу атомов ядер и так далее.
Но если взять другие элементарные частицы, которые построены из тяжелых кварков, а таких частиц тоже много, то оказывается, что там ситуация не такая. Тяжелые кварки движутся медленно, и за счет этого энергия их связи достаточно мала. Главный вклад в массу таких тяжелых частиц дают просто массы кварков. Поэтому в целом ситуация немножко разная для тяжелых кварков и для легких кварков, но, если говорить о том, что мы с вами наблюдаем — это протоны и нейтроны, из которых сделаны ядра, — то, действительно, массы кварков дают ничтожный вклад в общую массу этих частиц, и поэтому мы с вами получаем массу из энергии взаимодействия этого самого клея.
— В Стандартную модель не входит гипотетический гравитон? Отражена ли гравитация в этой модели?
— Нет, гравитация вообще в Стандартную модель не входит: ни классическая, ни квантовая; потому что на тех масштабах, о которых мы говорим, которые достижимы на современных ускорителях, роль гравитации совершенно ничтожна. Это на много-много порядков слабее любого взаимодействия, слабее электромагнитного взаимодействия. То есть в мире элементарных частиц при энергиях, которые мы обсуждаем, роль гравитации мала, поэтому ее просто игнорируют. Но если говорить о так называемой Теории всего, теории природы, то, конечно, гравитация играет в природе основополагающую роль, потому что развитие Вселенной в основном определяется гравитацией.
Справка. Дмитрий Казаков — специалист в области квантовой теории поля и физики элементарных частиц, автор более 210 научных работ, ветеран атомной энергетики и промышленности, лауреат премии ОИЯИ за работы в области теоретической физики за 1980 и 2004 гг., лауреат премии им Н.Н.Боголюбова за 2020 г.
— Отсутствие представителя от гравитации делает Стандартную модель неполной, не конечной?
— Если попытаться экстраполировать Стандартную модель с расстояния 10 -16 см, на котором мы сейчас всё это проверили, до расстояний порядка планковского масштаба 10 -34 см, где очевидно, что гравитация будет играть существенную роль, тогда-то и может проявиться неполнота Стандартной модели. Возможно, неполнота скажется и раньше, на других масштабах, но мы этого пока не знаем. Но на планковском масштабе, безусловно, нужно включать гравитацию, чего мы пока делать не умеем.
Мы теоретически не вполне можем до планковского масштаба продвинуться, потому что мы не очень понимаем, как там всё устроено, есть ли там струны, как работает квантовая гравитация (пока у нас нет теории квантовой гравитации) и так далее.
— Известно, что время жизни протона больше, чем время жизни Вселенной. Такая поразительная стабильность протона не мешает строить фундаментальные теории, такие как Теория всего?
— Мы, строго говоря, не знаем, сколько времени живет та или иная частица, потому что на этот счет нет какого-то определенного закона, который бы гласил, что она должна жить столько-то времени. Мы ищем, на что частица может распасться, и пытаемся определить, исходя из этого, время ее жизни. Большинство частиц живут короткое время, потому что они на что-то распадаются. Нам известно очень мало стабильных частиц, которые ни на что не распадаются. Например электрон, который, как мы пока считаем, живет вечно; или, скажем, u-кварк.
Время жизни протона — более 1030 лет, время жизни Вселенной — около 1.4 × 1010 (14 млрд) лет.
В Стандартной модели никаких указаний на распад протона не имеется, то есть мы не можем указать какой-то процесс, когда протон распадается, потому что он защищен так называемым законом сохранения барионного заряда. Один кварк может перейти в другой, но исчезнуть кварк не может. То же самое с лептонами: если лептон есть, то работает закон сохранения лептонного заряда, и лептон никуда исчезнуть не может. Возможен переход одного лептона в другой, но лептонное число при этом сохраняется.
В некоторых теориях (например, в объединенных теориях), когда кварки и лептоны попадают в одну компанию, кварк может переходить в лептон, а лептон может переходить в кварк. То есть оказывается, что барионное число и лептонное число по отдельности перестают сохраняться, и возможны такие переходы. Это могло бы привести к тому, что, например, протон распался бы на электрон и пи-мезон. Такой процесс возможен, однако в Стандартной модели этого процесса нет. Но в теориях, которые расширяют Стандартную модель, такой процесс вполне может существовать.
Да, мы не видим распад протона, но это не означает, что он невозможен в принципе. Теоретического предсказания насчет того, сколько времени должен жить протон, у нас нет. Возможно, протон живет какое-то ограниченное время, но гораздо большее, чем время жизни Вселенной.
— Стандартную модель называют самой успешной теорией в истории физики. Почему?
— С прогрессом эксперимента точности всё повышаются и повышаются. Мы достигли сейчас очень высокой точности измерения различных величин. И то, что предсказывает Стандартная модель, — это очень тонкие характеристики: скажем, уровни в атомах, аномальные магнитные моменты и так далее.
В этой модели достигнута фантастическая точность: в 10 знаков после запятой и т.д. Действительно, мало где можно такой точности добиться, а в мире элементарных частиц, в Стандартной модели, она достигнута. Теоретически можно провести расчеты с такой же точностью, и вот мы сравниваем величины в десятом знаке после запятой, полученные теоретически, с измеренными экспериментально — и они совпадают; это и есть проверка Стандартной модели, показатель того, что она правильно описывает мир элементарных частиц. И, действительно, это беспрецедентные точности в физике!
Фото в шапке текста: стоп-кадр программы «Очевидное ― невероятное» с участием Дмитрия Казакова.
