Попей и скалярные хиггс-бозоны

Физика до недавнего времени изучала материю в двух ее проявлениях — веществе и поле. Причем частицы вещества и кванты полей подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя различным образом. Так, частицы вещества явля­ются ферми-частицами (фермионами). Системы тождествен­ных ферми-частиц подчиняются статистике Ферми — Дира­ка. Все фермионы имеют полуцелое значение некоторой очень важной квантовой характеристики элементарной частицы (не менее важной, чем заряд или масса), называемой спином. А для частиц с полуцелым значением спина справедлив прин­цип запрета Паули, согласно которому две тождественные ча­стицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же состоянии. Принцип Паули определяет образование электронных оболочек в атомах, поскольку в одном и том же состоянии на одном подуровне могут находиться только два электрона с противоположными спинами, что определяет зако­номерности Периодической системы элементов Менделеева.

Все кванты полей являются бозе-частицами (бозонами) — частицами с целочисленным значением спина. Системы тожде­ственных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе — Эйн­штейна. Принцип Паули для них не справедлив: в одном и том же состоянии может находится любое число частиц. Так что бозе - и ферми-частицы рассматриваются как частицы, имею­щие различную природу.

В свою очередь частицы вещества делятся на две группы: кварки и лептоны. Кварки и лептоны входят в состав других физических объектов и считаются при достигнутых на сегодняшний день энергиях «бесструктурными». Кварки — это частицы, которые, кроме электрического заряда, обладают цвет ным зарядом. Наличие у кварков цветного заряда обуславливает способность их к сильным взаимодействиям. Известно, _т0 протон и нейтрон состоят из трех кварков. Однако прин­цип Паули здесь не нарушается, так как эти кварки имеют различные цветовые заряды. Заряд сильного взаимодействия назвали «цветом» именно по аналогии с действительными цве­тами, подчеркивая этим, что смешение трех цветов кварков делает протон или нейтрон бесцветным. Так же как смеше­ние красного, желтого и зеленого цветов даст белый цвет. Соответственно различают три заряда сильных взаимодействий — красный (R), желтый (Y) и зеленый (G). Лептоны — бес­цветны и не участвуют в сильных взаимодействиях.

Предпо­лагается существование шести видов (ароматов) кварков и шести лептонов. Поведение кварков несколько необычно, ибо они никогда не встречаются в свободном состоянии, а находятся в постоянном плену, заключены внутри других ча­стиц, например,внутри протонов или нейтронов. В физике кварков сформулирована гипотеза конфайнмента (от англ. слова confinement — пленение) кварков, согласно которой невозможно вылетание кварка из целого. Он может существо­вать лишь в качестве элемента целого. Несмотря на это не­обычайное обстоятельство, существование кварков как реаль­ных частиц в физике надежно обосновано.

Квантом гравитационного поля является гравитон. Однако гравитон пока не установлен экспериментально, равно как и не построена по сей день теория квантовой гравитации. Квантом электромагнитного поля является фотон у. Масса покоя фотона равна 0. Фотон не несет на себе электрического заря­да. Это обеспечивает линейный характер электромагнитных взаимодействий и большой радиус их действия. Квантами сла­бого взаимодействия являются три бозона — W⁺, W‾, Z°- бозо­ны. Верхние индексы указывают знак электрического заряда этих квантов. Кванты слабого взаимодействия имеют значи­тельную массу, что приводит к тому, что слабое взаимодей­ствие проявляется на очень коротких расстояниях. Квантами сильного взаимодействия являются восемь глюонов. Свое название глюоны получили от английского слова glue (клей), ибо именно они ответственны за конфайнмент кварков. Массы по­коя глюонов равны нулю. Однако глюоны обладают цветным зарядом, благодаря чему они способны к взаимодействию дру_г с другом, как говорят, к самодействию, что приводит к трудно­стям описания сильного взаимодействия математически ввиду его нелинейности. Если слабое взаимодействие ответственно за изменение ароматов кварков, то сильное взаимодействие, осуществляемое посредством обмена глюонами между кварками, приводит к изменению цветов кварков. Так что в ядре постоян­но происходят превращения протонов в нейтроны и наоборот за счет обмена квантами слабого взаимодействия между кварками. Кроме этого, внутри протонов и нейтронов кварки постоянно меняют свои цвета, испуская и поглощая глюоны. При этом протоны и нейтроны остаются бесцветными.

Третьим качественно отличным от вышеназванных двух форм материи является физический вакуум. Дело в том, что все кванты полей, рассмотренные нами ранее, являются век­торными калибровочными бозонами. Калибровочными их на­зывают по той причине, что они являются квантами ка­либровочных полей. Векторными их называют потому, что все они имеют целочисленное значение спина, равного 1, за исключением гравитона, спин которого предполагается рав­ным 2. Физический вакуум нашей Вселенной рассматрива­ется как коллективные возбуждения хиггсовых скалярных бо­зонов, спин которых равен 0.