Стандартная модель физики элементарных частиц
Стандартная модель — теория, которая описывает, из чего состоит вещество и какие силы действуют между его составными частями. Это самая точная теория, какую породила физика, — и нейтрино есть то единственное место, где она в лаборатории доказуемо неполна.
Состав
Двенадцать частиц вещества, упорядоченных в три семейства. Шесть кварков, из которых состоят протоны и нейтроны, и шесть лептонов — электрон, мюон, тау и три соответствующих нейтрино. К каждой из них есть античастица.
Четыре силовые частицы. Фотон переносит электромагнетизм, W- и Z-бозоны — слабое взаимодействие, глюоны — сильное взаимодействие, которое удерживает вместе атомные ядра.
Один бозон Хиггса, поле которого придаёт остальным частицам их массу. Он был обнаружен в 2012 году в ЦЕРН — почти через пятьдесят лет после своего предсказания.
Силы тяжести недостаёт. В Стандартную модель она не входит, и никто до сих пор не знает, как её можно было бы туда встроить.
Почему она так успешна
Итог необычаен. Стандартная модель предсказала существование W- и Z-бозонов, очарованного кварка, топ-кварка и бозона Хиггса прежде, чем они были найдены, — отчасти за десятилетия до того.
Некоторые её предсказания совпадают с измерением до двенадцатого знака после запятой. Это точность, как если бы расстояние Берлин–Токио определяли с точностью до толщины волоса.
Ни один ускорительный эксперимент никогда не обнаружил ясного противоречия.
Где она кончается
И всё же Стандартная модель явно неполна. Пробелы хорошо названы:
Сила тяжести в ней не встречается.
Тёмная материя и тёмная энергия составляют вместе около 95 процентов энергетического содержания Вселенной. Стандартная модель описывает остальные пять.
Перевес материи. При Большом взрыве материя и антиматерия должны были возникнуть в равных количествах. Почему что-то осталось, модель не объясняет — известная асимметрия в кварковом секторе на порядки слишком мала.
Число три. Почему семейств частиц ровно три, а не два и не пять, неизвестно. Измерение на Z-бозоне говорит, что их три. Оно не говорит почему.
Масса нейтрино.
Трещина в одном-единственном месте
В своей первоначальной редакции Стандартная модель содержит безмассовые нейтрино. Это была не небрежность, а естественное следствие её построения: для массы понадобились бы правые нейтрино, а их в ней нет.
В 1998 году Такааки Кадзита показал, что нейтрино осциллируют, в 2002 году Артур Б. Макдональд показал, во что они превращаются. Осциллировать может лишь то, что обладает массой.
Тем самым лабораторный результат противостоит теории — единственный, который до сих пор устоял. Все прочие расхождения, о которых сообщали в течение этих лет, оказались статистическими флуктуациями или ошибками измерения.
Стандартную модель можно расширить, включив в неё массы нейтрино; вопрос в том, как. Механизм качелей был бы одним из ответов, и он одновременно открыл бы путь к объяснению перевеса материи.
Почему это делает физику нейтрино столь интересной
Кто хочет выйти за пределы Стандартной модели, ищет там, где она уже однажды поддалась. Поэтому во всём мире миллиарды вкладываются во всё более крупные нейтринные детекторы — от JUNO через DUNE до Hyper-Kamiokande.
Нейтрино — самая лёгкая, самая распространённая и самая своеобразная частица модели. И единственная, которая уже однажды выдала нечто, чего теория не знала.
Родственные понятия
- Лептон — семейства частиц
- W- и Z-бозоны — силовые частицы
- Масса нейтрино — открытое место
- Механизм качелей — возможное расширение
Источники
- Particle Data Group: Review of Particle Physics, раздел Standard Model.
- Коллаборации ATLAS и CMS: регистрация бозона Хиггса, Physics Letters B 716 (2012).