Квант. Путеводитель для запутавшихся

Элементарные компоненты

Фрэнк Клоуз, профессор физики, Оксфордский университет

На различных этапах истории появлялись разные кандидатуры на звание фундаментальных кирпичиков материи. Столетие назад фундаментальными считались атомные элементы, к 1930-м им на смену пришли электроны, протоны и нейтроны. Сегодня электрон по-прежнему в нашем списке, но протоны и нейтроны, как выяснилось, состоят из более мелких частиц – кварков. При изучении истории возникает очевидный вопрос: действительно ли электрон и кварки фундаментальны или же они тоже состоят из еще более мелких частиц, как русские матрешки? Честный ответ таков: мы не знаем! Мы можем лишь сказать, что сегодня ни один из лучших экспериментов не дает и намека на наличие более глубинной структуры. В то же время есть намеки, что в этом слое «космического лука» есть нечто особенное.

Как мы к этому пришли? Есть две экспериментальных техники: рассеяние и спектроскопия.

Если предполагаемый фундаментальный слой на самом деле состоит из более глубинных компонентов, квантовая механика ограничивает способы распределения этих компонентов. Одна из таких конфигураций будет обладать наименьшим количеством энергии: мы называем ее основным состоянием. Один или несколько компонентов могут пребывать в более высокоэнергетическом состоянии, из-за чего вся система будет обладать большим количеством энергии. Компонент может испускать фотон света, теряя энергию в процессе; а поглощение фотона подходящей энергии может переводить систему из основного состояния в более высокоэнергетическое. На основании спектра энергий фотона можно вывести рисунок энергетических уровней (результирующей) системы.

Итоговые энергетические уровни молекулы (из-за вибрации атомов друг возле друга); атома (из-за его электронов); ядра (из-за вибрации и вращения его протонов и нейтронов) и даже самих протона или нейтрона (из-за движения составляющих их кварков) с качественной точки зрения кажутся очень похожими. Однако количественно они различаются.

Единицы энергии на квантовом уровне называются «электронвольтами»: 1эВ = 1,6×10-19 Джоулей. Чтобы вы получили представления о масштабе этой единицы, скажу, что обычно требуется несколько эВ, чтобы выбить электрон из атома. Для возбуждения молекул необходимы миллиэлектронвольты (мэВ); ядра атомов возбуждаются под воздействием миллионов электронвольт (МэВ), а протоны и нейтроны – под воздействием сотен МэВ. Это отражает еще более мелкие масштабы расстояний и действующих сил при переходе от относительно крупных молекул к маленьким протонам. Это первый намек на существование более глубокой структуры. Рассеяние напрямую от этих компонентов (как в экспериментах Резерфорда на атомном ядре или высокоэнергетическое рассеяние пучков электронов на кварках) показывает их внутренние составляющие.

Представим, что мы аналоговым способом перечислили все вариации кварка или электрона, мюона и тау-лептона. Самые легкие из них обладают массой порядка МэВ. Тау-лептон, очарованный кварк и прелестный кварк находятся в масштабе ГэВ (миллиардов эВ), а истинный кварк – сотен ГэВ. Может ли это быть признаком новой спектроскопии, основанной на «субкварках» и «сублептонах»?

Однако здесь не получается следовать по знакомому пути. К примеру, нет никаких признаков электромагнитных переходов (испускания или поглощения фотонов) между «тяжелыми» и «легкими» лептонами, хотя именно это произошло бы, если бы они представляли собой просто возбужденные состояния друг друга. В отношении кварков это тоже верно, хотя свидетельства здесь менее прямые. Кроме того, все эти частицы обладают одинаковым спином (половиной постоянной Планка), а в спектроскопии возбуждения обычно наблюдается весь диапазон значений спина. В дополнение к этому есть косвенные намеки, что существуют максимум три «поколения», в то время как простой спектр возбуждения включал бы в себя весь диапазон состояний. Наконец, их размер (если они вообще существуют) составляет менее 10-18 м, а в таком мизерном измерении их массы должны составлять порядка многих ГэВ, а не МэВ (в случае с верхним и нижним кварками и электроном).

Либо эти частицы действительно фундаментальны, либо здесь работает что-то за пределами традиционной квантовой механики. Любой из этих вариантов представляет чрезвычайный интерес. Похоже, в современном семействе «фундаментальных» частиц, включенных в стандартную модель, действительно есть кое-что новенькое.