Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Йостейн Рисер Кристиансен

один или несколько фрагментов, которые расскажут нам что-то о темной материи, — фрагменты, позволяющие вписать темную материю в уже существующую физику элементарных частиц. Но перед тем, как заглядывать за пределы Стандартной модели, не лучше ли сначала ознакомиться с существующей на сегодняшний день концепцией? И попробовать понять, что же она рассказывает нам о фундаментальных особенностях природы?

Стандартная модель рассказывает, из каких кирпичиков, а если быть точнее, элементарных частиц построен мир, а также каким образом эти кирпичики взаимодействуют друг с другом посредством различных сил природы. Количество кирпичиков ограничено, но, благодаря бесчисленным вариациям их сотрудничества, вокруг нас сформировалась такая многоуровневая реальность. Из элементарных частиц состоят, например, атомы, которые, в свою очередь, образуют молекулы. А все, что мы видим вокруг себя, состоит из атомов и молекул. Частицы в Стандартной модели вы увидите на рисунке.

Двенадцать частиц с левой стороны — это так называемые частицы вещества. Шесть верхних — кварки, а шесть нижних — лептоны. Пять частиц с правой стороны отвечают за энергообмен других частиц. А еще есть бозон Хиггса, который отвечает за инертную массу.

Частицы Стандартной модели. Мы не ожидаем, что эти элементарные частицы действительно имеют какой-либо размер или внешний вид. Поэтому можно развлечься, рисуя их так, как нам хочется. К этому рисунку, возможно, будет полезно вернуться, когда мы в конечном итоге представим различные частицы.

Широкой публике описанные выше частицы не особо известны. Уже неплохо, если человек знает, что такое электрон. Но электрону мы уже уделили достаточно внимания. Да и фотон у многих на слуху (это частица света, или электромагнитного излучения). И бозон Хиггса, которому так радовались физики. Но где, например, протон и нейтрон? И чем занимаются все остальные странные частицы, о которых мы никогда не слышим? В случае со Стандартной моделью нельзя сказать, что все частицы оказались на своих местах вследствие череды случайных находок, как засушенные растения в гербарии школьника. Каждая частица сначала появилась на своем законном месте в математической формулировке. А это означает, что подавляющее большинство элементарных частиц было теоретически предсказано задолго до практического доказательства в ходе экспериментов.

Вернемся к обзору частиц в Стандартной модели. Начнем с частиц вещества. Электрон — одна из них. Но большинство других частиц вещества в повседневной жизни не так уж часто встречаются. Мюон и частица тау во многих своих свойствах схожи с электроном, например, у них отрицательный заряд, зато больше масса. И мюон, и тау-частица за доли секунды превращаются в другие частицы и исчезают. Поэтому их называют нестабильными.

То же самое касается четырех кварков: очарованного, странного, истинного и прелестного. Они нестабильны, и их жизнь очень коротка. С другой стороны, верхние и нижние кварки играют важную роль в построении Вселенной, поскольку являются кирпичиками, образующими протоны и нейтроны, из которых, в свою очередь, состоят ядра атомов. Протон состоит из одного нижнего и двух верхних кварков, в то время как нейтрон — из одного верхнего и двух нижних. У всех кварков есть электрический заряд: +2/3 у верхних и -1/3 у нижних. Простейшие математические вычисления позволяют понять, почему у протона заряд 4–1, а у нейтрона — 0. Кварки всегда стремятся соединиться с другими кварками, чтобы образовать, например, нейтроны и протоны. Исключение составляют лишь ситуации с экстремально высокими температурами — это те, что в 10 000 раз превышают температуру ядра Солнца. И получается, что, хотя Земля и состоит по большей части из кварков, эти кварки заключены в протоны и нейтроны.

Нейтрино — это те еще невидимые чудаки. Их во Вселенной невероятно много, хотя масса этих частиц ничтожно мала. Невидимость нейтрино, конечно, связана с тем, что у них нет электрического заряда. Учитывая количество нейтрино и их невидимость, очень хочется предположить, что нейтрино и темная материя — одно и то же. Но с помощью нейтрино никак не получится объяснить быстро вращающиеся галактики Рубин или другие связанные с темной материей феномены, которые мы рассматривали. На самом-то деле, в какой-то мере нейтрино и есть форма темной материи. Но они могут составлять лишь ее крошечную часть. Поэтому частица темной материи, по всей видимости, отличается от нейтрино Стандартной модели.

Так почему же нейтрино недостаточно, чтобы полностью объяснить темную материю? И откуда мы знаем, что нейтрино существуют, если они невидимы? Чтобы объяснить почему, нам нужно взглянуть на переносчики взаимодействия справа на рисунке Стандартной модели. Частицы взаимодействия определяют, каким образом действуют силы природы и с какой силой и почему без этих переносчиков взаимодействий никак не обойтись в наших поисках частицы темной материи.

Переносчики взаимодействий и ядерная энергетика

Мы уже немало говорили об электрических и электромагнитных силах, действующих между электрическими зарядами и позволяющих обычной материи сталкиваться и не распадаться. Но что заставляет эти силы действовать между электрическими зарядами? Уж точно не канцелярские резинки или пружины, а фотоны. Два заряда толкают или притягивают друг друга, обмениваясь фотонами (небольшими частицами электромагнитных волн).

Испытать похожий процесс на себе можно, если пойти с другом на каток и начать бросать туда-сюда тяжелый предмет, например, воздушный шар с водой. Каждый раз при передаче шара, вы будете отталкиваться друг от друга. Точно так же два электрических заряда будут перебрасывать фотоны между собой, и, в точности как у конькобежцев, бросающих шары с водой, бросок отталкивает электроны друг от друга. Но, в отличие от примера с катком, где бросок только отталкивает вас друг от друга, обмен фотонами может заставить заряды и притягиваться друг к другу.

Фотоны похожи на маленькие мешочки с электромагнитным излучением. Все наблюдаемое нами электромагнитное излучение состоит из фотонов. Означает ли это, что электрические заряды постоянно передают друг другу небольшие вспышки света, пока сталкиваются и отталкиваются? И, получается, мы можем увиде ть эти вспышки? Нет, к сожалению или к счастью, в нашей и без того заряженной электричеством реальности было бы невыносимо много света. Это то, что мы называем «виртуальными фотонами» (я же говорил, что квантовая физика странная), и их нельзя рассматривать точно так же, как световые волны от горячей плиты. Но даже если эти виртуальные фотоны не видны глазу, фотон выполняет роль переносчика энергии между электрическими зарядами.