2.5. СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Естественно задать вопрос, являются ли объекты, степени свободы которых определяют физику всех процессов на третьей ступени квантовой лестницы, истинно элементарными, или квантовая лестница имеет следующие, может быть, бесконечное число ступеней? Принцип, фиксирующий ту или иную возможность, до сих пор неизвестен. Можно лишь утверждать следующее.

Согласно современным экспериментальным данным и теоретическим представлениям объекты, которые являются элементами вещества на третьей ступени квантовой лестницы, являются истинно неделимыми, по крайней мере, при всех доступных в настоящее время масштабах энергии. Все частицы вещества на этой ступени (их, как было сказано, известно более трехсот) разделяются на два больших класса – лептоны и адроны. Известно ровно 12 лептонов, к которым, в частности, относятся электроны, позитроны и (анти)нейтрино. При масштабах энергии, достигнутых в современных ускорителях элементарных частиц (вплоть до 100 ГэВ), внутренняя структура лептонов никогда не наблюдалась. Напротив, у остальных частиц – адронов – несмотря на их неделимость, достоверно наблюдаются некоторая внутренняя структура и явно выраженные адронные спектральные линии. Эти линии аналогичны спектральным линиям атомов, но с характерными энергиями переходов . Аналогия с атомной спектроскопией является очень важной, поскольку наводит на мысль, что огромное количество наблюдаемых адронов может порождаться небольшим числом более фундаментальных частиц, из которых состоят адроны (аналогично тому, как все атомы могут быть «построены» из электронов и ядер, а ядра – из протонов и нейтронов). Эта идея оказалась плодотворной. Все многообразие физики адронов удается объяснить в рамках кварковой модели. Согласно этой модели все адроны построены из 12 типов более фундаментальных частиц – кварков, которые принято обозначать  и . Любой адрон состоит либо из двух, либо из трех кварков. Например, протон состоит из -кварка и двух -кварков, а нейтрон – из -кварка и двух -кварков (рис. 11).

Ядерные силы между адронами, которые на ядерной ступени обеспечивают стабильность ядер, с точки зрения субъядерной ступени оказываются остаточным проявлением взаимодействия, которое существует между кварками и называется сильным взаимодействием.

Раздел квантовой теории, который описывает физические процессы на субъядерной ступени квантовой лестницы, называется стандартной моделью элементарных частиц и основан на математических конструкциях квантовой теории поля. В рамках стандартной модели все фундаментальные процессы взаимодействия сводятся, в конечном счете, к процессам рождения и уничтожения частиц. В частности, каждый тип фундаментального взаимодействия между частицами вещества на субъядерной ступени также осуществляется частицами, которые называются переносчиками взаимодействия. Для объяснения всех процессов физики элементарных частиц в рамках стандартной модели оказывается достаточным предположить существование всего лишь трех типов фундаментальных взаимодействий:

1. Электромагнитное взаимодействие (частица-переносчик – -квант).

2. Сильное взаимодействие (частицы-переносчики – глюоны; существуют глюоны 8 типов).

3. Слабое взаимодействие (частицы-переносчики – - и -бозоны; всего 3 типа переносчиков).

Одной из серьезных проблем стандартной модели, которая в настоящее время остается нерешенной, является объяснение механизма удержания кварков внутри адронов. Дело в том, что, хотя вся адронная спектроскопия объясняется кварковой моделью, сами кварки никогда не наблюдались в свободном состоянии и не известно, как этот факт можно вывести из фундаментальных принципов стандартной модели. Эта проблема называется проблемой конфайнмента (т.е. пленения) кварков внутри адронов.

Возвращаясь к вопросу о следующих ступенях квантовой лестницы, следует подчеркнуть, что мы практически ничего не знаем о физических процессах, которые протекают при энергиях выше . В настоящее время нет ускорителей, способных разгонять частицы до таких энергий, равно как и не известны фундаментальные принципы, которые следовало бы применять к описанию соответствующих процессов. В частности, не известно, являются ли лептоны и кварки истинно бесструктурными, или при более высоких энергиях будут наблюдаться какие-то более фундаментальные частицы вещества с другим набором взаимодействий. Если квантовая лестница имеет следующие ступени, то может оказаться, что электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия на самом деле не более фундаментальны, чем химические или ядерные силы, которые эффективно существуют на низших ступенях лестницы.

Наконец, во всех явлениях атомной, ядерной физики и физики элементарных частиц практически никакой роли не играет еще один известный тип взаимодействия – гравитационное взаимодействие. По отношению к трем другим фундаментальным взаимодействиям гравитационное взаимодействие оказывается самым слабым. Чтобы оценить порядок этого взаимодействия, заметим, что отношение энергии гравитационного ньютонова притяжения двух протонов к энергии их электростатического кулоновского отталкивания имеет порядок . Однако в рамках квантовой теории оказывается, что интенсивность различных взаимодействий на самом деле зависит от масштаба энергий , характерных для изучаемых процессов. Например, в атомной физике основную роль играет электромагнитное взаимодействие между электронами и ядрами или ионами. Напротив, на субъядерной ступени наиболее интенсивно происходят процессы, обусловленные сильными взаимодействиями, а электромагнитное и слабое взаимодействия часто играют роль «малых поправок» в картину, формируемую сильным взаимодействием кварков. Теоретически предсказано, что при очень больших масштабах энергии и фантастически малых масштабах расстояний интенсивность гравитационного взаимодействия оказывается того же порядка, что и интенсивность других фундаментальных взаимодействий. Эти масштабы называются планковскими и имеют порядок  для энергии и  для масштаба расстояний. Планковские масштабы характерны для ранних стадий эволюции Вселенной, а также для физических процессов вблизи и внутри черных дыр.

Следует сказать, что в рамках современной квантовой теории до сих пор не удалось построить последовательного описания гравитационного взаимодействия, поскольку существующий математический аппарат в этом случае приводит к внутренне противоречивой теории. Построение квантовой теории гравитации может оказаться ключом к пониманию следующих ступеней квантовой лестницы.

Итак, мы рассмотрели некоторые принципы структурной организации материи. Как видно, они основаны на квантовой природе физических явлений в микромире, в частности, существенно опираются на принцип квантования энергии стабильных физических систем. Принцип квантования является одним из краеугольных камней квантовой теории, поскольку позволяет устранить многие парадоксы классической физики.