Стивен Вайнберг - Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Отсутствие какой-либо чисто эмпирической методики, позволяющей различать составные и элементарные частицы, не означает, что такое разделение бесполезно. В 1970-е гг. казалось, что различия между элементарными и составными частицами будут более очевидными после того, как стала общепринятой квантово-полевая теория элементарных частиц, известная как Стандартная модель. Существует шесть вариантов, или ароматов, кварков, каждый из которых имеет три цвета — это что-то вроде электрического заряда; шесть ароматов лептонов, к которым относится электрон; и 12 частиц, которые называются калибровочными бозонами. В число этих 12 частиц входит фотон, который переносит электромагнитное взаимодействие, восемь глюонов, которые переносят сильное ядерное взаимодействие, а также W +, W —и Z 0-частицы, которые переносят слабое ядерное взаимодействие. Протон, нейтрон и все сотни сильно взаимодействующих частиц, обнаруженные после Второй мировой войны, в итоге оказались неэлементарными; они состоят из кварков, антикварков и глюонов. Речь не идет о том, что мы можем отделить кварки, антикварки и глюоны от этих неэлементарных частиц. Считается, что это невозможно. Точнее будет сказать, что кварки, антикварки и глюоны считаются элементарными, поскольку их поля фигурируют в уравнениях теории.

Единственной не ясной пока стороной Стандартной модели является механизм нарушения симметрии слабого и электромагнитного взаимодействий, который придает W- и Z-частицам их массы. Если бы у W- и Z-частиц не было массы, то они имели бы всего два спиновых состояния, как у невесомого фотона с его правой и левой поляризацией, тогда как массивные частицы со спином 1 имеют три спиновых состояния; таким образом, нарушение симметрии, в результате которой W- и Z-частицы получают массу, добавляет дополнительные спиновые состояния W- и Z-частицам. Теории нарушения электрослабой симметрии можно разделить на две категории в зависимости от того, являются ли дополнительные квантовые состояния элементарными, как в исходной форме Стандартной модели, или составными, как в теориях техницвета. В некоторой степени основная задача, для решения которой проектировались Большой адронный коллайдер и злополучный Сверхпроводящий суперколлайдер, заключалась в том, чтобы окончательно решить вопрос, каким частицам соответствуют дополнительные спиновые состояния W- и Z-частиц — элементарным или составным [72] Этот вопрос был разрешен с открытием бозона Хиггса, описанным в главах 12 и 13. Дополнительные спиновые состояния W- и Z-частиц являются элементарными и связаны с бозоном Хиггса симметриями теории электрослабого взаимодействия. .

На этом история могла бы закончиться, но с конца 1970-х гг. наше понимание квантовой теории поля сделало еще один поворот. Мы осознали, что любые частицы при достаточно низких энергиях могут быть описаны с помощью полей, входящих в так называемые эффективные квантовые теории, независимо от того, являются ли эти частицы элементарными или нет. Например, даже если поля нуклонов и пионов не появляются в уравнениях Стандартной модели, мы можем рассчитать скорости процессов с участием низкоэнергетических пионов и нуклонов с помощью эффективной квантовой теории поля, в которой фигурируют поля пионов и нуклонов, а не кварков и глюонов. В рамках такой теории пионы и нуклоны являются элементарными частицами, а атомные ядра — нет. Если мы используем теорию поля подобным образом, мы просто следуем общим принципам релятивистских квантовых теорий с учетом соответствующих симметрий; на самом деле мы не делаем никаких допущений о фундаментальных физических структурах.

С этой точки зрения мы имеем право говорить только о том, что кварки и глюоны «более элементарны», чем нуклоны и пионы, поскольку их поля фигурируют в Стандартной модели — теории, которая применима в более широком диапазоне энергий, чем эффективная теория поля, описывающая нуклоны и пионы при низких уровнях энергии. Мы не можем прийти к какому-то окончательному решению об элементарности самих кварков и глюонов. Стандартная модель является, вероятно, только эффективной квантовой теорией поля, приближением к более фундаментальной теории, для раскрытия деталей которой потребуются энергии частиц, намного превышающие возможности современных ускорителей, и возможно, в этой теории можно будет вообще обойтись без кварков, лептонов или калибровочных полей.

Есть вероятность, что кварки, лептоны и другие частицы Стандартной модели сами состоят из еще более элементарных частиц. Тот факт, что мы не видим структуру кварков и лептонов, говорит только о том, что энергия связи в этих частицах должна быть довольно высока — больше нескольких триллионов электронвольт. И на сегодняшний день никому пока не удалось разработать убедительную теорию для таких систем.