Дмитрий Воронов
сентябрь 2016.
160

Чем обоснована уверенность ученых в том,что они наконец нашли фундаментальные частицы(лептоны,кварки)и что они не имеют никакой структуры?

Ответить
Ответить
Комментировать
0
Подписаться
3
2 ответа
Поделиться

Тем, как они ведут себя при столкновениях. Вряд ли я точно смогу объяснить детали. Процессы в квантовой теории описываются диаграммами Фейнмана, вот так, например, выглядит рассеяние электрона на электроне:

Два электрона обмениваются энергией и импульсом через виртуальный фотон и разлетаются в разные стороны. Взаимодействие электронов с виртуальным фотоном происходит в вершинах диаграммы. В других взаимодействиях будет идти обмен другими частицами, в слабых, например, W и Z бозонами. Физики, видя эту диаграмму, могут легко перевести ее в вероятность рассеяния, используя определенные правила - правила Фейнмана. На самом деле эта диаграмма дает основной самый простой вклад в рассеяние, электрон же дополнительно может провзаимодействовать с электромагнитным вакуумом или другими виртуальными частицами. Например, вот так:

Здесь мы рассматриваем правую половину верхней диаграммы. На входе и на выходе мы имеем так же электрон, а влево улетает виртуальный фотон. Но электрон так же сам с собой взаимодействует фотонами и прочими частицами, они дают поправки к поведению электрона в исходной диаграмме. Для того чтобы получить полное выражение, нужно просуммировать все возможные диаграммы, но физики пока такое делать не умеют. С счастью, в большинстве случаев достаточно взять часть поправок, точность получается уже выше экспериментальной. Дополнительный вклад, полученный за счет такого взаимодействия, физики называют форм-фактором и представляют как поправки к вершине. Важно, что в форм-фактор дают вклады все частицы, даже те, которые в принципе не могут родиться в эксперименте, потому что энергии слишком низки. Они может и не могут стать реальными, но могут возникнуть на короткое время как флуктуация, быть виртуальными, но все же повлиять на реакцию. Получается, что мы можем чувствовать даже те частицы, которые не можем реально родить. Но естественно, виртуальный вклад, скажем, легкого мюона в рассеяние электронов будет выше, чем вклад тяжелого бозона Хиггса, потому что энергия ближе и в квантовых флуктуациях он рождается больше и живет дольше. Не все вклады таким образом легко почувствовать. К тому же если есть новый вид частиц, реакция может пойти с помощью обмена новой виртуальной частицей. 

Вот таким образом мы по рассеянию частиц и поведению вероятностей рассеяния с энергией можем судить какие у нас частицы вообще есть даже если у нас не хватает энергии чтобы их родить. И, конечно, мы можем понять элементарная частица или составная. То, что протон состоит из кварков поняли по его форм-фактору, он сильно отличается от электрона. Протон можно себе представить как-то так:

Множество глюонов взаимодействуют с тремя кварками и связывают протон такой шапкой из кварков. Взаимодействие сильное и вероятности возникновения новых глюонов высоки. И при взаимодействии вклад в вершину, даже электромагнитную (с фотоном), дают сразу много глюонов, форм-фактор очень сложный, и точно посчитать его никто не может. 

Здесь и ответ на Ваш вопрос. Изучая реакции можно экспериментально померить форм-факторы, каналы и вероятности реакций, может быть родить новые частицы и построить теорию того как все со всем взаимодействует, и какие частицы на самом деле есть. Так вот, стандартная модель и ее набор частиц в настоящий момент хорошо описывает все взаимодействия и вероятности рассеяния, а ведь квантовая теория чувствует все возможные частицы, даже реально в итоге не рожденные, виртуальные. Значит ли это что других частиц вообще нет? Не значит, они могут быть, но они должны быть тяжелыми, чтобы их вклады были подавлены их большой массой. Или должны очень плохо со всем взаимодействовать, чтобы вероятность их виртуального (и реального) рождения была низка. Скорее всего из таких слабовзаимодействующих частиц и состоит темная материя.

2

Я потерялся на третьем слове

0
Ответить
Прокомментировать

Хочу добавить к предыдущему абсолютно корректному ответу, что в квантовой теории поля само понятие фундаментальности, или наоборот структуре той или иной частицы не однозначно.

Если взять ту диаграмму, где два электрона обмениваются фотоном и повернуть её на 90° (а мы можем так сделать, ведь, согласно специальной теории относительности, пространство и время могут "смешиваться" по-разному, в зависимости от скорости наблюдателя), то мы увидим другую картинку - теперь два электрона (если быть точнее, электрон и позитрон, но не суть) сливаются, образуя фотон, а позже, этот фотон распадается снова на два электрона.

Это выглядит так, как будто фотон "состоит" из двух электронов. Но в оригинальной диаграмме наоборот - электроны обмениваются фотоном, значит у них внутри ещё много таких же!

Получается, что даже в данной (!) конкретной (!) системе, что считать фундаментальной, а что составной частицей - зависит от точки зрения.

В случае, скажем, с протоном, его структура - вопрос элегантности теории. Если думать о нём как об облаке кварков и глюонов, это даст нам возможность сделать меньше допущений и получить бОльшую предсказательную силу о его поведении. Поэтому, его удобнее считать системой частиц, чем одной частицей. То же справедливо и для атома, баскетбольного мяча и целой вселенной.

Но чёткой грани между целым и частями нет. И чем дальше мы углубляемся в структуру материи - тем сильнее размывается эта грань.

Как говорил всё тот же Фейнман - каждый раз, когда мы ломаем кирпич надвое - то видим только его поверхность. То, что у кирпича есть что-то внутри - всего лишь теория.

0
Прокомментировать
Ответить