Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Кристиансен Йостейн Рисер - Страница 22

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.

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.

С другими силами природы также связаны переносчики взаимодействия, задействованные в обмене силами между частицами. В Стандартной модели есть три еще не рассмотренные нами частицы: глюон, W-бозон и 2-бозон. Глюон — переносчик так называемого сильного ядерного взаимодействия, в то время как W- и 2-бозоны — переносчики слабого взаимодействия.

Подведем итоги:

Фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия.

Глюоны — переносчики сильного ядерного взаимодействия.

W- и Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия.

Сильное ядерное взаимодействие происходит между кварками. Благодаря этому взаимодействию объединяются верхние и нижние кварки, образуются протоны и нейтроны. А потом уже нейтроны и протоны с помощью сильного взаимодействия объединяются в ядра атомов.

Насколько сильнб сильное ядерное взаимодействие? Давайте сравним его с электромагнитным взаимодействием. Как вы, возможно, помните, дополнительных электронов на Луне и Земле, равных массе коровы, хватило бы, чтобы сделать электрические силы столь же мощными, как гравитационные силы между двумя небесными телами. И в то же время мы помним, что чем короче расстояние между зарядами, тем сильнее напряженность электрического поля. Каждый раз, когда расстояние между зарядами уменьшается вдвое, напряженность сил возрастает в четыре раза. Расстояние между двумя протонами в ядре атома — всего 10^-15 метров (одна миллионная нанометра), поэтому и отталкивающие электрические силы между протонами должны быть огромными. Тем не менее атомное ядро может содержать множество протонов, и, несмотря на огромные отталкивающие электрические силы, сильному ядерному взаимодействию удается преодолеть их и не дать ядру распасться. Недаром же его называют сильным.

Сильное взаимодействие происходит благодаря глюонным частицам. Глюоны обладают некоторыми забавными свойствами, которые, в свою очередь, делают ядерные взаимодействия уж очень особенными. На расстояниях около 10^-15 метров (типичном расстоянии между частицами в атомном ядре) сильное ядерное взаимодействие будет обладать притягивающими свойствами и помогать ядру удерживать все частицы вместе. Если мы попытаемся сжать ядро сильнее, то сильное взаимодействие внезапно станет отталкивающим. А если отойти на расстояние чуть больше 10^-15 метров, то это взаимодействие очень быстро ослабеет и станет совершенно незначительным. Таким образом, электромагнитные и гравитационные силы быстро начнут преобладать по мере увеличения расстояния между частицами ядра. Так что, если вам удастся отодвинуть протоны в атомном ядре немного дальше обычного, сильное ядернос взаимодействие резко потеряет контроль над ситуацией. Отталкивающиеся электрические заряды перейдут в наступление и разорвут атомное ядро в клочья. В некоторой степени это упрощенное описание того, что происходит на атомной электростанции.

Лично мне трудно представить себе сильное ядерное взаимодействие, не вспомнив ребенка, прилипшего влажным языком к холодному металлическому забору. В этой ситуации язык играет роль глюона. В отличие от сильного ядерного взаимодействия, силы, из-за которых ребенок прилип к холодному металлу, остаются, лишь пока язык полностью прилегает к поверхности. Стоит ребенку рывком вырваться из плена, удерживавшие его силы быстро исчезнут и станут незначительными.

Мы уже поняли, что гравитационные силы действуют между частицами, обладающими массой, а электромагнитные силы — между частицами с электрическим зарядом. Точно так же сильное взаимодействие существует только между частицами, имеющими то, что мы называем цветовым зарядом. Такое название не имеет никакого отношения к привычным нам цветам; это лишь способ описать характеристики некоторых частиц. Аналогия с цветами появилась из-за того, что существует три типа таких зарядов: красный, зеленый и синий. Таким образом, мы сопоставляем их с тремя основными доступными человеческому глазу цветами. Цветовой заряд бывает только у кварков и глюонов.