4.8. Стандартная мадэль у фізіцы элементарных часціц

Як было падкрэслена ў папярэднім параграфе, на сучасным этапе развіцця навукі высветлілася, што зразумець глабальную структуру ўніверсуму немагчыма без разумення яго мікраўзроўню. Набыткі фізікі элементарных часціц фігуруюць, такім чынам, адначасова і як набыткі сучаснай касмалогіі.

У параграфе, прысвечаным станаўленню квантавай механікі было ўжо паказана, што сучасная навука выявіла грунтоўную ўзаемасувязь бесперапынных і дыскрэтных характарыстык матэрыі, так што выпраменьванне выяўляе таксама дыскрэтную (квантавую) структуру, а часціцы маюць хвалевыя ўласцівасці. У сувязі з гэтай – “сінтэтычнай” – натурай мікраўзроўню рэчаіснага свету можна сцвярджаць, што пошук і вывучэнне элементарных адзінак матэрыяльных утварэнняў (якія заўжды хвалявалі навукоўцаў) набылі асаблівае значэнне ў абсягу фізічных даследаванняў. Праўда, пасля таго як выявілася ілюзорнасць абсалютнай элементарнасці атама, фізікі вельмі асцярожна абыходзяцца з дадзеным паняццем і вядуць гаворку пра часціцы з выяўленай унутранай структурай і пра такія структурныя адзінкі матэрыі, якія расчляніць на складовыя часткі яшчэ не ўдалося (на дазены момант элементарныя ва ўласным сэнсе). Таму тэрмін “элементарная часціца” ўжываецца часам як абазначэнне аб’ектаў субатамнага ўзроўню ўвогуле, а не апошніх “цаглінак” светабудовы [46, т.2, c.442], хоць разам з тым у навуковай літаратуры праводзяцца тонкія тэрміналагічныя адрозненні ў гэтым плане (паміж фундаментальнымі і элементарнымі часціцамі). Пры гэтым выразна падкрэсліваецца адзначаная крыху вышэй суаднесенасць “элементарнасці” мікрааб’ектаў з актуальным станам даследаванняў [77, c.520].

На канец 20-х гг. ХХ ст. у фізіцы, з аднаго боку, заставалася дзейнай схема атама “пратоны, якія ўтвараюць ядро, – электроны, што яго акаляюць”, а з іншага, – прадчувалася яе недастатковасць. Адпаведныя прадчуванні сілкаваліся наяўнасцю ізатопаў. Акрамя таго, на грунце квантавай тэорыі было зроблена прадказанне, згодна з якім павінны існаваць антычасціцы (П.Дзірак). Напачатку 30-х гг. згаданыя прадчуванні і прадказанні спраўдзіліся: на эмпірычным узроўні былі выяўленыя нейтроны (незараджаныя часціцы з масай, блізкай да масы пратона, якія ўваходзяць у склад атамнага ядра) і пазітроны (антыэлектроны – амаль ідэнтычныя электронам часціцы, якія адрозніваюцца ад іх, аднак, сваім зарадам і выклікаюць пры сутыкненні з імі на высокіх хуткасцях з’яву анігіляцыі). У працэсе далейшага вывучэння працэсаў, што адбываюцца на субатамным узроўні, кола адпаведных аб’ектаў значна пашырылася і паўстала патрэба ў іх класіфікацыі.

Дадзеная задача была вырашаная ў рамках тэорыі, якая атрымала назву Стандартнай мадэлі і якая была выпрацаваная ў 60-х – 70-х гг. ХХ ст. Найгрунтоўнейшы яе прынцып надзвычай просты: вылучаюцца два тыпы элементарных мікрааб’ектаў – часціцы матэрыі і часціцы, што забяспечваюць іх узаемадзеянне (гэтаксама як пры пабудове дома нам патрэбныя будаўнічы матэрыял і сродкі, што злучаюць і трымаюць разам яго часткі). Часціцы матэрыі называюцца ферміёнамі (хвалевая функцыя, што апісвае іх паводзіны, падпарадкоўваецца статыстыцы Фермі-Дзірака), часціцы, што адказваюць за іх узаемадзеянне – базонамі (паводле адпаведнай ім статыстыкі – статыстыкі Бозэ-Эйнштэйна). Адрозненні ў паводзінах ферміёнаў і базонаў вызначаюцца іх розным спінам, паўцэлым у ферміёнаў і цэлым у базонаў.

Як вядома, у прыродзе існуе чатыры тыпы фундаментальных узаемадзеянняў:

– гравітацыйнае (гравітацыя – найслабейшая з дзейных у прыродзе сіл, але далёкасяжная; акрамя таго, вялікія, масіўныя целы могуць мець вельмі значную сілу прыцягнення, здольную перасягнуць іншыя тыпы ўзаемадзеянняў);

– электрамагнітнае (больш моцнае, чым гравітацыйнае, але таксама дзейнае на вялікай прасторавай дыстанцыі; яно мае месца, аднак, толькі пры ўмове наяўнасці ў часціц зараду; калі яны маюць зарад аднолькавага знаку, дык назіраецца іх узаемаадштурхоўванне, у адваротным выпадку – узаемапрыцягненне);

– слабое (яно здзяйсняецца на вельмі кароткіх адлегласцях – у маштабах атамнага ядра; яму належыць істотная роля пры бэта-распадзе ў рамках натуральнай радыёактыўнасці, а таксама пры рэакцыях сінтэзу ядраў у нетрах зорак; яго назва мае адносны характар: яно з’яўляецца слабым толькі ў параўнанні з папярэднім (элетрамагнітным) і наступным (моцным) тыпам узаемадзеянняў);

– моцнае (яно таксама здзяйсняецца на вельмі кароткіх адлегласцях – на ўзроўні ядра і яго складовых частак; у паўсядзённым жыцці яно, як і слабое ўзаемадзеянне, ніяк не выяўляецца) [43, c.104].

Стандартная мадэль апісвае тры апошніх тыпы грунтоўных фізічных узаемадзеянняў. Зрэшты, сілы гравітацыі ў мікрасвеце, у свеце мікрачасцінак зусім слабыя: яны ў мільярды мільярдаў мільярдаў мільярдаў разоў меншыя, чым, напрыклад, сілы электрамагнітнага ўзаемадзеяння. Тым не менш фізікі спрабавалі ўлучыць і іх у рамкі Стандартнай мадэлі. Згаданыя спробы, аднак, не прынеслі здавальняючых вынікаў.

Стандартная мадэль належыць да квантавых тэорый поля. Яе аб’ектамі з’яўляюцца палі, змяненне якіх мае дыскрэтны характар, палі, асацыяваныя з часціцамі. Першая тэорыя такога тыпу (квантавая электрадынаміка) была распрацаваная ў 40-х гг. Яна апісвала электрамагнітныя ўзаемадзеянні. Часціцамі (базонамі), што забяспечваюць іх з’яўляюцца фатоны. Фатоны разглядаюцца ў квантавай электрадынаміцы як дыскрэтныя складовыя часткі электрамагнітнага поля, праз абмен якімі часціцы матэрыі ўзаемадзейнічаюць паміж сабой. Эмісія фатона ўплывае на паводзіны часціцы, што выпраменьвае яго. Абсарбаваны іншай часціцай, ён таксама змяняе яе стан. Дадзеная тэорыя і выступіла як узор для іншых квантавых тэорый поля [43, c.104-105].

У 1967 г. была прапанаваная (сінтэтычная) тэарэтычная схема, у рамках якой былі аб’яднаныя электрамагнітнае і слабое ўзаемадзеянні: яны разглядаюцца як праявы адной электраслабой сілы (Ш.Глэшоў, С.Вайнберг і А.Салам (1926-1996)). На яе аснове было прадказана існаванне базонаў, што забяспечваюць слабое ўзаемадзеянне – W⁺ , W^- i Z⁰. Дадзенае прадказанне знайшло сваё эмпірычнае пацвярджэнне ў 1983 г. Тэорыя электраслабой сілы належыць да асноў Стандартнай мадэлі, гэтаксама як і квантавая хромадынаміка, якая апісвае моцнае ўзаемадзеянне. Базонамі, што забяспечваюць яго, з’яўляюцца глюоны (ад анг. glue – клей, склейваць).

Моцнае ўзаемадзеянне звязвае паміж сабой пратоны і нейтроны ў ядрах атамаў. Акрамя таго, у 1964 г. была прапанаваная гіпотэза (М.Гел-Ман, Д.Цвейг), згодна з якой пратоны і нейтроны маюць складаны характар: іх утвараюць часціцы, якія былі названыя кваркамі і якія мусяць мець досыць экзатычныя ўласцівасці. Па-першае, з павялічэннем адлегласці паміж імі сілы іх узаемнага прыцягнення (праз абмен глюонамі) павялічваюцца. Таму іх не ўдаецца “выбіць” з пратонаў і нейтронаў. Па-другое, яны маюць дробны электрычны зарад (+2/3 або -1/3). Акрамя таго, яны маюць такую ўласцівасць, як “колер”. Са звычайным, бачным колерам яна не мае амаль нічога агульнага. Падставай для такой аналогіі з’яўляецца трохаспектнасць згаданай уласцівасці – у падабенстве з тым, што асноўных колераў таксама тры. У гэтым дачыненні існуюць тры тыпы кваркаў – чырвоны, зялёны і блакітны (як, зрэшты, і тры адпаведныя тыпы антыкваркаў). Спалучэнне кваркаў і антыкваркаў дае ў выніку “бясколерныя”, але ў найвышэйшай ступені нестабільныя часціцы – мезоны. А вось спалучэнне трох тыпаў кваркаў у адзінае цэлае прыводзіць да ўзнікнення стабільных “белых” часцінак – пратонаў і нейтронаў.

Дадзеная канструкцыя застаецца гіпатэтычнай, бо кваркі ў свабодным стане пакуль што не былі атрыманыя. Як згадвалася вышэй, пры ўсялякай спробе аддаліць іх адзін ад аднаго сілы іх узаемапрыцягнення ўзмацняюцца. У рамках Стандартнай касмалагічнай мадэлі, аднак, даводзіцца, што на ранніх этапах пашырэння Сусвету (калі тэмпература перавышала 10¹² градусаў) яны былі свабоднымі [18, c.75]. Таму іх “вызваленне” было б важкім аргументам і на карысць Стандартнай мадэлі элементарных часціц, і Стандартнай касмалагічнай мадэлі. (Спадзяванні фізікаў і ў гэтым выпадку звязаныя з Вялікім адронным калайдэрам.)

Неабходна адзначыць, што ў рамках Стандартнай мадэлі было зроблена прадказанне, якое паставіла на карту яе лёс. Згодна з гэтым прадказаннем павінны існаваць часціцы, спін якіх роўны нулю (г. зн. яны з’яўляюцца базонамі) – і таму звязанае з імі поле не мае прывілеяванага кірунку, г. зн. з’яўляецца скалярным. Яны былі названыя базонамі Хігса (у гонар брытанскага фізіка П.Хігса, які належыць да кола пачынальнікаў гэтай ідэі). Згаданае поле напаўняе сабой універсум, і дзякуючы сувязі з ім іншыя часціцы набываюць масу (яно выступае як своеасаблівая перашкода для іх руху, г. зн. выклікае эфекты, ідэнтычныя тым, што выклікаюцца ўласцівасцю інертнасці).

Працяглы час фізікі не маглі здзейсніць эксперыментальную праверку згаданага прадказання. Улетку 2012 г., аднак, з’явіліся паведамленні, што 4-га ліпеня гэтага года падчас даследаванняў на Вялікім гадронным калайдэры базоны Хігса былі нарэшце выяўленыя [31]. Гэта сапраўдны трыўмф Стандартнай мадэлі (і сучаснай навукі ўвогуле). Тым не менш у ёй застаецца яшчэ досыць шмат недахопаў і праблем. Нават у дачыненні да базонаў і поля Хігса патрэбна яшчэ высветліць, чаму розныя часціцы па-рознаму звязваюцца з ім і атрымліваюць, такім чынам, розную масу. Як і ў выпадку Стандартнай касмалагічнай мадэлі, у яе рамках шэраг параметраў вызначаецца не на аснове ўнутраных прынцыпаў, а ўводзіцца на аснове эмпірычных абагульненняў. І, натуральна, праблема ўлучэння гравітацыі ва ўсеагульную схему застаецца, як і раней, невырашанай і актуальнай.

Такім чынам, у сучаснай навуцы вывучэнню мікрачасціц надаецца найгрунтоўнейшае значэнне. У выніку згаданага вывучэння створаная тэорыя, што апісвае адпаведны ўзровень рэчаіснасці – Стандартная мадэль. Стандартная мадэль уяўляе сабой квантавую тэорыю поля: часціцы разглядаюцца ў ёй як асацыяваныя з палямі. Паводле велічыні ўласцівага ім спіна яны падзляюцца на ферміёны і базоны. Грунтоўныя фізічныя ўзаемадзеянні (прынамсі, тры з іх – электрамагнітнае, слабое і моцнае) здзяйсняюцца праз абмен базонамі, што адбываецца паміж ферміёнамі. На аснове Стандартнай мадэлі былі зробленыя прадказанні, якія паспяхова вытрымалі эмпірычную праверку: у 1983 г. былі выяўленыя базоны, што паводле яе прадказання забяспечваюць слабое ўзаемадзеянне (базоны W⁺ , W^- i Z⁰), а ў 2012 г. – базоны Хігса (адказныя згодна з яе прадказаннем за наяўнасць у элементарных часціц масы).

ПЫТАННІ І ЗАДАННІ

1. Падумайце, чаму тэорыі, пра якія ідзе гаворка ў двух апошніх параграфах, характарызуюцца як “Стандартныя мадэлі”.

2. У тэксце даводзіцца пра класіфікацыю часціц на аснове іх спіна. Яна мае дыхатамічны характар: згодна з ёй існуюць два тыпы згаданых мікрааб’ектаў. Гэта ферміёны, якія маюць паўцэлы спін (напрыклад, кваркі, электроны) і базоны, у якіх ён перадаецца цэлым лікам (напрыклад, фатоны). Якія высновы, на Вашу думку, можна зрабіць на аснове гэтага факта?

3. Як Вы лічыце, наколькі правамерна падзяляць мікрачасціцы на элементарныя і фундаментальныя (найпрасцейшыя і структураваныя)?

4. Паспрабуйце прапанаваць іншую, чым згаданыя ў папярэдніх пытаннях, падставу для класіфікацыі элементарных часціц (у выкананні дадзенага задання можа дапамагчы слоўнік асноўных паняццяў).