ужить, закон сохранения удавалось спасти.
— Значит, для построения мира нужно было пять частиц? — уточнила Галатея.
— Для ядерных сил, скрепляющих атомное ядро, японец Юкава в 1934 году предложил модель, в основе которой лежит новая и нестабильная элементарная частица пимезон.
— Шесть частиц? — Галатея стала загибать пальцы на второй руке.
— В 1936 году нашли частицу, которую приняли за мезон Юкавы. Но это оказался мюон, совсем не та частица, которая ожидалась. Как сказал профессор Исидор Раби, когда был открыт мюон: «Кто заказал это?» Пимезон Юкавы был открыт в 1947 году.
— Уже семь частиц! — продолжила счёт девочка.
— Модель элементарных частиц затрещала по швам. В том же году были открыты две новые элементарные частицы — К-мезон и лямбда-гиперон. В 1955 году был открыт антипротон, в 1956 году — нейтрино, предсказанное Паули. Элементарные частицы посыпались, как горох из разорвавшегося мешка.
— Ой! — Галатея посмотрела на свои загнутые пальцы: её персональный компьютер исчерпал память.
— К ним пришлось добавить античастицы, которых, согласно уравнению Дирака, было ровно столько же, сколько обычных частиц. Элементарных частиц открывалось по несколько штук в год, и за несколько десятков лет учёные нашли сотни таких частиц. Целый зоопарк в микромире: даже нейтрино оказалось не одного, а трёх сортов — электронное, мюонное и тау-нейтрино. Стало понятно, что привычные «элементарные частицы» не могут претендовать на звание «элементарных», тем более что они крайне нестабильны и никак не походят на неизменные атомы Демокрита. Значит, они сами построены из более простых и неделимых частичек? Начались интенсивные поиски по-настоящему элементарных частиц. Но пусть лучше об этом расскажет известный физик Ричард Фейнман, или, вернее, его дух, который живёт в моём домашнем компьютере.
Динамики компьютера вдруг ожили, и дух Фейнмана сказал:
— Число частиц в мире не ограничено и зависит от энергии, потраченной на разрушение ядра. В настоящее время открыто более четырёхсот таких частиц. Мы не можем смириться с тем, что существуют четыре сотни элементарных частиц — это слишком сложно! Природа продолжает нагромождать эти частицы как бы с целью нас одурманить. Если 99 % явлений в мире можно объяснить при помощи электронов и фотонов, то оставшийся 1 % явлений потребует в десять или двадцать раз больше дополнительных частиц.
— И что же делать? — спросила Галатея.
— Думать! — рявкнули динамики голосом Фейнмана. — Великие изобретатели вроде Гелл-Манна чуть с ума не посходили, пытаясь вывести правила, которым подчиняются эти частицы, и в начале 70-х годов XX века создали теорию сильных взаимодействий (или «квантовую хромодинамику»), в которой основными действующими лицами являются частицы, получившие название «кварки». Все частицы, состоящие из кварков, разделяются на два класса: одни частицы, например протоны и нейтроны, состоят их трёх кварков (такие частицы получили ужасное название «барионы»), другие — например пион — состоят из кварка и антикварка (они называются «мезонами»), Дзинтара снова взяла нить повествования в свои руки.
— Физики любят исследовать элементарные частицы, сталкивая их лбами. Разгоняют частицы на ускорителях, и — бабах! — только искры из глаз у частиц сыплются. Физики изучают эти искры и траектории заплаканных частиц, разлетающихся после соударения, и узнают о строении частиц много нового.
— Ужас! — сказала Галатея. — Надо организовать союз защиты элементарных частиц.
— Таким способом Эрнст Резерфорд исследовал строение атома: облучил атомы положительно заряженными альфа-частицами и обнаружил, что альфа-частицы иногда сильно отклоняются при рассеянии на атомах. Это возможно, только если атом является не рыхлой крупной структурой, как думал Томсон, а содержит в себе крошечное и плотное ядро с положительным зарядом. Так Резерфорд доказал, что в атоме есть ядро с размером в десять тысяч раз меньше, чем сам атом.
Аналогичное открытие сделали физики более полувека спустя. Они по рассеянию протонов друг на друге нашли, что протон не представляет собой однородный шар — в нём прячутся маленькие и плотные части, которые позже стали называть кварками и глюонами.
Химик Менделеев проанализировал свойства химических элементов и нашёл в них закономерности, которые привели к открытию Периодического закона. На основании этого закона Менделеев предсказал существование ещё не открытых химических элементов и даже заранее вычислил их массу и другие характеристики.
Аналогично поступили и физики: они изучили свойства всех известных элементарных частиц и нашли, что их можно разделить натри группы: лептоны, кварки и кванты полей.
Исходя из этой классификации, шотландец Хиггс, бельгиец Энглерт и другие физики создали теорию элементарных частиц и предсказали открытие нескольких ранее неизвестных частиц, в частности бозон Хиггса. Для этих неоткрытых частиц удалось вычислить массу и другие характеристики. Несколько десятилетий экспериментаторы, работающие на ускорителях, искали эти частицы — и нашли абсолютно все, включая бозон Хиггса, который журналисты любят называть «частицей бога» — настолько фундаментальной во всех смыслах оказалась эта частица.
— Звучит как-то двусмысленно, — сказал Андрей, — Словно бог состоит только из бозонов Хиггса.
— Термин «божья частица» появился в заголовке книги нобелевского лауреата Леона Ледермана. Он сначала хотел назвать бозон Хиггса «чёртовой частицей», но редактор книги не согласился — и «чёртову» частицу переделали в «божью», тем более что в английском языке для этого просто нужно отрезать вторую половину слова.
— Как тонка оказалась грань между чёрным и белым! — хихикнула по-детски королева Никки, слушавшая сказку с таким же вниманием, как и дети.
— Эксперименты, полностью подтвердившие теорию кварков, сделали её Стандартной для элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий. В 2013 году за эту теорию Питеру Хиггсу и Франсуа Энглерту была присуждена Нобелевская премия.
Что говорит Стандартная теория об основных группах элементарных частиц?
Самым известным представителем группы лептонов является электрон. Два других лептона — мюон и частица тау — похожи по свойствам на электрон, только гораздо тяжелее его и нестабильны. Мюон тяжелее электрона в 207 раз, и живёт он всего две миллионных доли секунды.
— Так мало? — удивилась Галатея.
— Так много! — возразила Дзинтара. — Другие нестабильные элементарные частицы живут гораздо меньше. Среди нестабильных частиц дольше мюона живёт только свободный нейтрон. Мюоны рождаются при столкновении космических лучей с атмосферой, но за счёт своей длинной жизни, которая дополнительно продлевается из-за скорости частицы…
— Согласно теории относительности Эйнштейна, — отметил педантичный Андрей, состоящий частично из коричневых кубиков.
— …мюоны могут достигать поверхности Земли. То есть мы все живём в потоке мюонов, летящих сверху. Исследователи пробуют использовать этот поток для просвечивания египетских пирамид и поиска там пустот, в которых могут размещаться гробницы фараонов.
— Да, это лучше, чем лопатой махать! — согласилась Галатея.
— Частица тау живёт в миллионы раз меньше, чем мюон, зато тяжелее электрона в три с половиной тысячи раз. Этим трём лептонам соответствуют три вида нейтрино. Все они стабильны. Нестабильный мюон любит распадаться на электрон и два вида нейтрино — мюонное и электронное, а частица тау может распасться на мюон, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Группа из шести лептонов дополняется шестью соответствующими античастицами.
Вторая группа элементарных частиц, самая загадочная — кварки. Это те самые внутренние уплотнения, найденные в протоне.
— Найденные в результате жестокого обращения с элементарными частицами, — отметила Галатея.
— В свободном состоянии никто кварки не наблюдал, они могут существовать только связанными друг с другом.
— Какая дружба! — снова не удержалась от комментария Галатея.
— Как и лептонов, кварков тоже шесть плюс столько же антикварков. Шесть кварков называют так: «нижний», «верхний», «прелестный», «очарованный», «странный» и «истинный». Самый лёгкий — «верхний кварк», всего лишь в несколько раз превосходит электрон по массе, зато самый тяжёлый — «истинный кварк» — в сотни тысяч раз тяжелее электрона.
— «Истинный» и «очарованный»! — восхищённо повторила Галатея, — Я уверена, что состою только из самых прелестных кварков!
— Соединения кварков называются адронами. Адронов очень много, но самые известные из них — протон и нейтрон, каждый из которых состоит из трёх кварков. Мезоны — это тоже адроны, возникшие при соединении двух кварков, но могут существовать адроны из четырёх и пяти кварков. Если принять заряд электрона за единицу, то все кварки имеют электрические заряды 1/3 и 2/3, только разного знака. Так как в природе не наблюдается элементарных частиц с таким дробным зарядом, то кварки должны соединяться таким образом, чтобы итоговая частица имела целый заряд (как у электрона) или была нейтральна.
— Какая избирательная у них дружба… — задумалась Галатея. — Значит, два кварка с электрическим зарядом в 2/3 никогда не смогут соединиться? Как это грустно! Вдруг они нравятся друг другу?
— В многочисленных столкновениях частиц в ускорителях рождается множество новых частичек, и некоторые из них являются просто возбуждённым состоянием какого-нибудь адрона, например протона. Но какие бы экзотические частицы не возникали, электрический заряд всегда сохраняется: суммарный заряд множества частиц, возникших при соударении, точно равен заряду частиц, которые столкнулись. Это правило называется законом сохранения электрического заряда. Кроме электрического заряда, кварки имеют такую характеристику, как «цвет» — «красный», «зелёный» и «синий», — и тоже подчиняются своеобразным законам сохранения: например, протоны и нейтроны — это бесцветные частицы, которые должны быть образованы кварками трёх разных цветов, которые в сумме дают белый цвет.