Рассмотрим атом гелия. Большинство атомов окружающего мира соединениы в молекулы, но гелий существует в виде атомов, состоящих из ядра (2 протона и 2 нейтрона) и двух электронов.
По-настоящему, неделимыми здесь являются только электроны. Интересно, что в квантовом мире чем меньше масса частицы, тем больше места она занимает. Поэтому электроны, масса которых в 1800 раз меньше массы нуклона, вращаются на орбитах, размеры которых в 100 000 раз больше размеров ядра.
Нейтроны и протоны относятся к группе адронов - частиц, участвующих в сильном взаимодействии, точнее, к барионам:
Барионы состоят из трех кварков или антикварков, а мезоны из пары кварк-антикварк. Протоны и нейтроны состоят только из двух видов кварков - в протоне 2 верхних и один нижний, в нейтроне два нижних и один верхний.
Поскольку кварки обладают различным дробным зарядом, в результате получается не имеющий заряда нейтрон и положительно заряженный протон.
Практически все вещество, окружающее нас, и мы сами состоит только из этих трех видов частиц - нейтрон, протон и электрон. Но они еще должны взаимодействовать, для передачи взаимодействия служат другие элементарные частицы, называемые бозонами. Итак, все частицы можно разделить на две большие группы - фермионы, из которых состоит материя, и бозоны, которые переносят взаимодействие между фермионами.
Разница между ними принципиальна: фермионы подчиняются принципу запрета Паули, то есть на одном энергетическом уровне не могут находиться два фермиона с одинаковыми квантовыми числами, а для бозонов это не важно, они все могут иметь одну и ту же энергию (и импульс) и двигаться синхронно, так называемый Бозе-эйнштейновский конденсат, именно такое состояние и приводит к сверхпроводимости и сверхтекучести.
Фермионы
Фермионы - это частицы с полуцелым значением спина (собственного момента импульса). Они создают видимую материю. Делятся на кварки, запертые внутри адронов и не существующие в свободном состоянии, и лептоны - свободные истинно элементарные частицы вроде электронов.
Кварки в свою очередь делятся на два типа:
- верхнего типа - верхний (up), очарованный (charm) и истинный (top, true), они обладают зарядом +2/3, отличаются массой;
- нижнего типа - нижний (down), странный (strange), прелестный (bottom, beauty), заряд -1/3.
Лептоны
Эти частицы материи не участвуют в сильном взаимодействии. Они тоже делятся на 2 группы:
- частицы с зарядом -1. Это электроны, мюоны и тау. Они различаются массой;
- частицы, не имеющие заряда: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау нейтрино. Также отличаются массой.
Нейтрино очень трудно уловимая частица, не обладая зарядом и очень мальенькой массой, она почти не взаимодействует с веществом.
Бозоны
Бозоны - это частицы или квазичастицы с целым значением спина, выраженного в единицах постоянной Планка. Например, это переносчики взаимодействий. Без них все частицы летали бы по Вселенной, никак не взаимодействуя. Сами они друг с другом не взаимодейстуют. Поскольку существует 4 вида фундаментальных взаимодействий, бозоны делятся на 4 группы:
- электромагнитное зваимодействие переносят безмассовые частицы - фотоны;
- сильное взаимодействие переносят глюоны, они удерживают кварки внутри адронов;
- слабое взаимодействие переносят ±W и Z бозоны. С их помощью фермионы могу превращаться друг в друга;
- гравитационное взаимодействие должны переносить гравитоны, но их существование пока не доказано. Они должны обладать очень малой массой и проявлять свое действие только для очень массивных тел.
Такое представление о микромире называется Стандартной моделью элементарных частиц.
Но, если добавить антикварки, то получится расширенная модель.
Но где же частицы берут массу и что такое бозон Хиггса? С точки зрения квантовой теории все частицы одновременно являются волнами какого-то поля. Поэтому мир можно рассматривать состоящим не из частиц, а из совокупности полей - электромагнитного, гравитационного, глюонного, кваркового, электронного... В этих полях постоянно происходят случайные флуктуации, которые мы воспринимаем как частицы.
Кроме указанных полей существует и поле Хиггса, взаимодействие с которым придает частицам массу. Если же частица не взаимодействует с полем Хиггса, то она безмассовая, как, например, фотон. Обнаружить бозон Хиггса удалось на Большом адронном коллайдере по характерному распаду.
