Хотя большинство частиц дезинтегрируются, или распадаются, на другие частицы, некоторые из них так себя не ведут. Но почему?

В мире есть много типов частиц, часть из них выглядит элементарными, другие можно построить из элементарных – к примеру, протоны, нейтроны и атомное ядро – но большинство из них распадаются за малую долю секунды. В предыдущей статье я объяснил, почему они распадаются; на самом деле это форма рассеивания, о которой мы имеем интуитивное представление, происходящее из нашего опыта, связанного с волнами и вибрациями. Но почему же несколько типов частиц вообще не распадаются, или, по крайней мере, живут гораздо дольше, чем 13,7 миллиардов лет, дольше возраста Вселенной?

Единственные из известных в природе стабильных частиц – это электрон (и антиэлектрон), легчайший из трёх типов нейтрино (и его античастица), фотон, и предполагаемый гравитон (оба последних являются античастицами сами себе). Другие нейтрино, протон и множество атомных ядер (и их античастиц – тут я прекращаю упоминание античастиц, оно будет подразумеваться), вероятно, нестабильны, но живут очень, очень, очень долго. Протоны, например, живут так долго, что с Большого взрыва их распалось очень малое количество, так что со всех практических точек зрения они стабильны. Другая долгоживущая частица – это нейтрон, который сам по себе, вне атомного ядра, живёт всего около 15 минут. Но внутри атомных ядер нейтроны могут жить дольше возраста Вселенной. Наконец, стоит добавить, что если тёмная материя состоит из частиц, тогда эти частицы тоже должны быть стабильными или очень, очень долгоживущими.

Почему эти частицы стабильны? Оказывается, что в микромире есть правила поведения частиц, неизвестные нам из повседневной жизни, заполненной волнами и вибрациями. Эти законы предотвращают распад частиц, как быстрый, так и медленный. Фундаментальные правила – это законы сохранения, утверждающие, что определённые величины Вселенной не меняются ни в каких физических процессах. Среди них – энергия, импульс, электрический заряд и несколько других. Существует также несколько приблизительных законов сохранения, говорящих о том, что некоторые величины меняются очень редко. Эти законы не появились ниоткуда и не были выдуманы теоретиками на пустом месте. Они связаны с другими свойствами мира. К примеру, если законы природы со временем не меняются, из этого следует (благодаря теореме математика Эмми Нётер), что энергия сохраняется. Мы увидим, что стабильность материи, из которой состоим мы с вами, позволяет неплохо проверить эти законы.

Комбинация этих законов со свойствами частиц даёт нам несколько простых правил, определяющих, когда частицы просто не могут распадаться, или могут распадаться очень редко. И этих правил (почти) достаточно для объяснения стабильности частиц, из которых мы состоим, и частиц, с которыми мы чаще всего взаимодействуем.

Фермионы и бозоны

В мире, в котором работает теория относительности Эйнштейна, у пространства есть три измерения, и работает квантовая механика, все частицы должны быть либо фермионами (названными в честь итальянского физика Энрико Ферми), либо бозонами (в честь индийского физика Сатьендра Нат Бозе). Это утверждение – математическая теорема, а не результат наблюдений. Но данные с последних 100 лет наблюдений её поддерживают – все известные в Стандартной модели частицы, это либо фермионы, либо бозоны.

Пример бозона – фотон. Двум или большему количеству бозонов (одного типа частиц) разрешено делать одно и то же. К примеру, лазер – это машина по созданию большого количества фотонов, делающих абсолютно одинаковые вещи, и выдающая очень яркий свет с очень точно определённым цветом и распространяющийся в определённом направлении. Все фотоны в луче синхронизированы.

Из фермионов лазер сделать нельзя. Пример фермиона – электрон. Два фермиона (одного типа частиц) не могут делать одно и то же одновременно. Поскольку электрон – это фермион, два электрона не могут находиться на орбите атома одинаковым образом. Это связано с принципом запрета Паули, который мы учим на уроках химии, обладающим огромными последствиями для периодической таблицы элементов и для химии. Электроны в атоме занимают разные орбиты, в разных оболочках вокруг атомного ядра, поскольку они не могут все одновременно упасть на одну орбиту – фермионам запрещено это делать. Точнее говоря, только два электрона могут занимать одну орбиту, и только если они вращаются в разные стороны вокруг оси, т.е. имеют разный спин. Если бы электроны были бозонами, химию было бы не узнать!

Среди известных в нашем мире элементарных частиц есть много фермионов: заряженные лептоны, нейтрино, кварки, и много бозонов: все переносчики взаимодействий и частица Хиггса.

Также бозонные поля могут в среднем существенно отличаться от нуля. Фермионные поля такого не могут. Поле Хиггса, ненулевое в нашей Вселенной, дающее массу всем элементарным частицам – это бозонное поле (и его частица – бозон, поэтому и зовётся она бозоном Хиггса).

Кроме того, из бозонных частиц можно сформировать конденсат Бозе-Эйнштейна, предсказанный Эйнштейном в 1920-х, но полученный только в 1990-х, в эксперименте, получившем нобелевскую премию. В таких экспериментах конденсат получают, заставляя большое количество атомов-бозонов пребывать в самом «спокойном» состоянии, доступном квантовому объекту, т.е. атомы находятся в минимально возможных квантовых состояниях, и тогда квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне.

Всё это относится к квантовой механике. Хотя Эйнштейну не нравились последствия квантовой механики, у вас не должно создаваться впечатления, будто он её не понимал. Наоборот, его работа была критичной для разработки некоторых аспектов квантовой теории.

Законы природы для частиц

Вот главные правила. Жирным шрифтом отмечены их главные последствия для нашей Вселенной.

Законы природы, которые, как считается по основательным причинам, должны выполняться точно

1) Частица должна распадаться на две или более частиц

Поэтому при каждом распаде частиц в природе из одной частицы появляются две или больше частиц. Это следует из закона природы, согласно которому общая энергия и общий импульс должны оставаться постоянными в любом физическом процессе (физики говорят, что «энергия и импульс сохраняются»). И вот почему 1-е правило вытекает из них:

Допустим, частица типа 1 может распадаться только на частицу типа 2. Докажем, что тут есть противоречие. Возьмём частицу 1 и расположим её перед собой в неподвижности. Вся её энергия будет заключена в её массе. Теперь, допустим, она распалась на частицу 2. Закон сохранения энергии утверждает, что

энергия покоя частицы 1 = энергия покоя частицы 2 + энергия движения частицы 2

Поскольку энергия движения положительна, энергия покоя частицы 2 может быть меньшей или равной энергии покоя частицы 1. Но энергия движения частицы 2 положительна, поэтому если энергия покоя частицы 2 меньше энергии покоя частицы 1, значит, частица 2 должна двигаться. Но частица 1 покоилась, поэтому у неё не было импульса. Частица 2 двигается, значит, у неё есть импульс. Но это невозможно – импульс должен сохраняться. Поэтому такой распад невозможен, если только у этих частиц массы не равны друг другу. Но в таком случае, если частица 1 может распадаться на частицу 2, верно и обратное – частица 2 может распадаться на частицу 1. Но это не распад – это просто путаница между двумя типами частиц.

2) Масса распадающейся частицы должна превышать сумму масс полученных при распаде частиц

Общая энергия и общий импульс при распаде сохраняются, но общая масса всегда уменьшается. «Родительская» частица с массой m₁ может распадаться только на «дочерние» частицы 2 и 3, если сумма их масс меньше, чем масса родительской: m₂ + m₃ < m₁. Это простое следствие из закона природы – общая энергия должна оставаться постоянной в любом физическом процессе. Доказательство:

Представьте, что вы наблюдаете за частицей 1 в покое. Вся её энергия – это энергия покоя, m₁c². Затем она распадается на частицы 2 и 3. У каждой из них есть энергия покоя и энергия движения. Поскольку энергия сохраняется,

Энергия покоя частицы 1 = Энергия покоя частицы 2 + Энергия покоя частицы 3 + Энергия движения частицы 2 + Энергия движения частицы 3

Но энергия движения всегда больше нуля, поэтому начальная энергия покоя превышает конечные энергии покоя, поэтому m₁c² > m₂c² + m₃c², следовательно m₁ > m₂ + m₃.

Поскольку фотон, как показывают все эксперименты, не обладает массой, он не может распадаться. Поэтому волны света могут пройти через всю комнату, всё пространство от Солнца до нас, и всю Вселенную, совершенно не дезинтегрируясь в пути. Предполагается, что гравитон обладает теми же свойствами.

3) Общий заряд до и после распада сохраняется

Ещё одно сохраняющееся свойство – это электрический заряд. Частица W-, очень тяжёлая и отрицательно заряженная, с зарядом –е, может распадаться на электрон с отрицательным зарядом –е и антинейтрино без заряда. Но W- не может распадаться на позитрон с положительным зарядом +е и нейтрино без заряда, поскольку общий заряд изменился бы с –е на +е. Также W- не может распадаться на электрон с отрицательным зарядом и позитрон (антиэлектрон) с положительным зарядом, поскольку их комбинация дала бы нулевой заряд.

Поскольку электрон – легчайшая из частиц с электрическим зарядом, он не может распадаться ни на что другое. Легче его только нейтрино, фотоны, глюоны и гравитоны, но они электрически нейтральны, поэтому любая их комбинация будет обладать нулевым зарядом. Любая неизвестная частица легче электрона должна быть электрически нейтральна, или же мы легко обнаружили бы её в экспериментах. Поэтому электрон стабилен.

4) Общее количество фермионов до и после распада может меняться только на чётное число

Правило следует из того факта, что угловой момент, также как и энергия и импульс, сохраняется (что объясняет тенденцию вращающихся вещей, к примеру, Земли, к сохранению вращения). Правило запрещает нейтрону распадаться на протон и электрон. Такой распад попадал бы под законы 1, 2 и 3, но не под 4, поскольку все эти частицы – фермионы. Нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Тогда у нас изначально будет один фермион и три в итоге, 3 – 1 = 2.

Нейтрино бывает три типа, и сейчас считается, что у всех них есть масса (у двух – скорее всего, и у третьего – вероятно). Самый лёгкий нейтрино – это легчайший из известных фермионов, но единственные частицы легче его, на которые он мог бы распадаться, это бозоны (фотон и гравитон). Поэтому он и не распадается: нельзя начать с фермиона и закончить бозонами. Он в принципе может быть нестабильным, если существуют ещё более лёгкие фермионы, которых мы пока не встречали – они взаимодействовали бы с обычной материей ещё слабее, чем нейтрино. И мы знаем, что нейтрино живут достаточно долго, поскольку мы видели, как они путешествуют на огромные расстояния от удалённых взрывов звёзд-сверхновых.

Законы природы, которые, как считается по чуть менее основательным причинам, должны почти точно выполняться

5) Разность между общим количеством кварков и общим количеством антикварков при распаде не меняется

В протоне содержатся три кварка, множество глюонов и пар кварков-антикварков, поэтому в протоне количество кварков минус количество антикварков равняется трём. В нейтроне также есть переизбыток из трёх кварков. Поэтому нейтрон, как более тяжёлая частица, может распасться на протон, не нарушая правила 5 – и он так и делает (порождая электрон и антинейтрино).

Но протон – легчайшая из частиц, содержащих больше кварков, чем антикварков, и из этого правила следует, совместно с правилом 2, что он стабилен. Понятно, что протон не может распадаться на любую комбинацию из электронов, фотонов и нейтрино, т.к. они не содержат кварков. Существует несколько адронов (частиц, состоящих из кварков, антикварков и глюонов), в частности, пионы, но они отличаются от протонов и нейтронов тем, что в них содержится равное количество кварков и антикварков. Поэтому тяжёлый протон не может распадаться на любую комбинацию пионов и не-адронов (фотонов, электронов, нейтрино), поскольку у дочерних частиц будет поровну кварков и антикварков, а у родительской частицы это не так. А вот пионы могут распадаться, не нарушая правил; к примеру, электрически нейтральный пион (являясь бозоном) может распадаться на два фотона, а положительно заряженный пион может распадаться на нейтрино и антимюон – что очень полезно для создания лучей нейтрино.

Многие теоретики считают (хотя это не было подтверждено экспериментом), что это правило немножечко нарушается, и протон очень-очень-очень немного нестабилен, обладая при этом чрезвычайно большим временем жизни. Уже более десяти лет наблюдая за огромным количеством протонов, находящихся в огромном баке с водой, в эксперименте Супер-Камиоканде, и не получив ни одного распада, мы знаем, что протон живёт не менее 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 лет. Надеюсь, ни одного нуля не пропустил. Возраст текущей фазы Вселенной составляет примерно 13 700 000 000, поэтому в будущем протонов будет достаточно много.

Существуют и другие законы, но большая часть наблюдаемых нами эффектов следует только из перечисленных.

Заключение

Теперь у нас есть правила, позволяющие объяснить:

• почему фотоны стабильны,
• почему электроны стабильны,
• почему протоны стабильны, или живут очень долго,
• почему, по меньшей мере, один тип нейтрино стабилен или живёт очень долго.

Чего вполне достаточно для объяснения обычной материи, химии, солнечного света, множества других процессов в жизни – кроме одного. Что насчёт нестабильного нейтрона?

Нейтрон – штука весьма удивительная. Ничто не запрещает ему распадаться, и он распадается примерно через 15 минут на протон, электрон и антинейтрино. Почему же он так долго живёт? Частично из-за того, что массы протона и нейтрона весьма близки. Хотя масса покоя нейтрона приближается в ГэВ, она лишь на 0,0007 ГэВ больше, чем сумма масс покоя протона, электрона и антинейтрино. А частота распадов становится весьма небольшой, когда суммарная масса дочерних частиц распада получается очень близкой к массе родительской частицы. Это и не удивительно, поскольку правило 2 постулирует, что распад должен полностью прекратиться, если масса дочерних частиц превышает массу родительской.

Но что странно, так это что если поместить нейтрон в атомное ядро, он становится стабильным! К примеру, в гелии есть два протона и два нейтрона. И хотя нейтрон сам по себе живёт четверть часа, ядро гелия может жить столько, сколько существует Вселенная, и ещё дольше. Это верно вообще для всех стабильных элементов периодической таблицы им. Менделеева и их нейтронов. Этот факт является крайне важным следствием Эйнштейновской теории относительности и некоторых особенностей сильного ядерного взаимодействия, и без него у нашего химического мира не было бы никакого разнообразия. Эта особенность заслуживает отдельной статьи.

И, кстати, если тёмная материя состоит из неизвестных частиц – почему они стабильны? Никто точно не знает, но, вероятно, для этого описанных мною законов будет недостаточно. Скорее всего, существует ещё один закон сохранения, точный или приблизительный, который ещё предстоит обнаружить.