При упоминании неуловимой частицы нейтрино сразу вспоминается анекдот про неуловимого ковбоя Джо: «… И не то, чтобы он был неуловим, а просто он никому и на фиг не нужен.»
Но частица нейтрино оказалась очень даже нужной.
Гипотеза существования нейтрино была принята для спасения фундаментальных законов сохранения при при слабых взаимодействиях. Например, при бета-распаде (наблюдаемая реакция превращения ядра элемента с испусканием бета-частицы — электрона или позитрона) получалось что не соблюдаются основополагающие законы сохранения энергии и импульса. Сумма количества энергии до реакции и после не совпадает — какая-то часть ее будто бы «улетучивается».
Ситуацию спас Вольфганг Паули, который предположил наличие частицы, уносящей часть энергии, что и позволяет уравновешивать соотношения импульсов и энергий частиц до и после взаимодействия.
Только через 23 года его предположение нашло своё экспериментальное подтверждение в лаборатории Энрико Ферми. Он и дал частице имя нейтрино, что по-итальянски означает маленький нейтрон.
Хотя, конечно, не совсем понятно как нейтрино может легко проходить без взаимодействий сквозь планеты и звёзды, но при этом взаимодействовать с некоторым детектором, который обеспечил экспериментальное подтверждение этой неуловимой частицы.
В данном случае гипотеза существования такой частицы как нейтрино оказалась полезной и плодотворной. Однако вопросы к теории слабых взаимодействий, в которых участвует нейтрино, остались. И эти вопросы привели к созданию другой, весьма сомнительной теории. Начнём по-порядку.
В современной физике элементарных частиц принята теория, описывающая три из четырёх фундаментальных сил природы - электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие элементарных частиц. Эта теория, известна как Стандартная модель.
На сегодня Стандартная модель (СМ) признана лучшей теорией микромира. Хотя эта модель не считается окончательной.
В физике принята следующая классификация частиц: все элементарные частицы делятся на имеющие структуру и бесструктурные; последние называются фундаментальными. Фундаментальные частицы делятся на частицы материи и на частицы-переносчики взаимодействий. Частицы материи делятся на те, что участвуют в сильных взаимодействиях (кварки), и те, что не участвуют (лептоны).
Для наглядности Стандартную модель часто представляют в виде таблицы
Стандартная модель включает в себя: 6 кварков, 6 лептонов, 4 частицы-переносчика силовых взаимодействий. Если учитывать античастицы и различные цветовые заряды у кварков и глюонов, то в общей сложности СМ описывает 60 частиц (без учёта хиггсовского бозона, о котором речь пойдёт ниже).
К частицам переносчикам взаимодействий относятся фотон γ, отвечающий за перенос электромагнитных взаимодействий, глюоны g, отвечающие за перенос сильных взаимодействий и W± и Z0 бозоны, отвечающие за перенос слабых взаимодействий. К этому списку можно было бы добавить гравитон – гипотетический квант гравитационного поля. Однако гравитон как частица экспериментально не обнаружен и квантовая теория гравитации пока не создана.
Одной из неразгаданных проблем Стандартной модели остаётся иерархия масс: почему массы фундаментальных частиц различаются так сильно – больше, чем на 11 порядков от нейтрино до t-кварка?
Примечание:
Протоны и нейтроны, составляющие ядро атомов, как и все другие частицы, называемые адронами, раньше считали бесструктурными, но по современным представлениям они состоят из различных комбинаций кварков и, следовательно, бесструктурными не являются.
Таким образом, на современном уровне развития физики элементарными (или фундаментальными) считаются три группы частиц: кварки, лептоны и калибровочные бозоны .
В классической физике принята полевая концепция взаимодействий, т. е. взаимодействия осуществляются посредством соответствующего поля. В квантовой теории поля взаимодействия рассматриваются как обмен энергией между частицами, который осуществляется частицами-переносчиками взаимодействия. Причём для электромагнитного и сильного взаимодействий переносчиками являются безмассовые (не имеющие массы покоя) фотоны и глюоны соответственно. А вот для слабых взаимодействий математически вычислены аж три частицы-переносчики - W±- и Z0- бозоны, причём имеющие значительную массу.
Слабое взаимодействие — фундаментальное взаимодействие, ответственное за процессы распада или превращения одних частиц в другие. Для того чтобы частица распадалась за счёт слабого взаимодействия обычно необходимо, чтобы распад за счёт сильного или электромагнитного взаимодействий был запрещён.
Распад является слабым, если выполняется хотя бы одно из двух условий: нарушение закона сохранения чётности или наличие нейтрино в продуктах распада. Это единственное взаимодействие, в котором участвуют нейтрино.
Самым распространённым случаем слабого взаимодействия является β-распад нейтрона:
Нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Интересный вопрос: «существуют ли электроны и нейтрино заранее или они рождаются в процессе распада?». По современным воззрениям эти частицы рождаются в процессе распада. Так проявляется общее свойство элементарных частиц — взаимопревращаемость.
Взаимодействия — это процессы воздействия некоторых объектов друг на друга. В случае β-распада нейтрона не очень понятно, кто на кого воздействует. Ведь нейтрон сам по себе превращается в несколько других частиц. Также непонятно какова тут роль калибровочных бозонов — переносчиков взаимодействия.
Но главной проблемой в теории слабого взаимодействия является наличие массы частиц-переносчиков. Причём массы очень большой по сравнению с взаимодействующими частицами. Получается, что для распада нейтрона массой 0,94 ГэВ зачем-то нужны частицы переносчики взаимодействия массой более 80 ГэВ? Не такое оно и слабое.
Примечание: Почему масса частиц измеряется в единицах энергии (эв) а не в килограммах? Оказывается, что массу столь малых объектов физикам проще и удобнее выражать в единицах энергии. Масса и энергия связаны знаменитой формулой E=mc2 .
Откуда же берётся и куда исчезает 80 ГэВ — довольно большая избыточная масса?
Массивность W- и Z- бозонов не позволяет построить непротиворечивую теорию слабых взаимодействий.
Кроме того, W± - и Z0 - бозоны имеют несколько возможных каналов распада на лептоны, мезоны и нейтрино. А это значит, что они не являются бесструктурными частицами и формально не должны быть в составе Стандартной модели.
Долгое время теоретики пытались не обращать внимание на некоторые противоречия в теории слабого взаимодействия.
Попытки объяснять противоречия одной теории часто приводят к созданию ещё более противоречивых теорий. Так для объяснения противоречивой теории Большого взрыва были предложены совсем абсурдные идеи существования тёмной материи и тёмной энергии.
Попытки объяснить массу частиц-переносчиков слабого взаимодействия привели к появлению гипотезы совсем уж непонятного поля Хиггса.
* * *
В 1964 году английский физик Питер Хиггс в нескольких статьях постулировал наличие некоторого поля, которое якобы придает безмассовым частицам инерционную массу. (Ещё один бездоказательный постулат!) При этом никто толком не понимает, чем является поле Хиггса с физической точки зрения. Следует ли считать его пятым видом взаимодействия или нет?
Чтобы "придать безмассовым частицам инерционную массу" нужно её откуда-то взять и каким-то образом передать. Причём по масштабам микромира эта масса очень большая. 80 ГэВ примерно соответствует суммарной