Субатомный уровень начинается там, где привычная школьная картинка атома перестаёт быть достаточной. Атом действительно состоит из ядра и электронов, но ядро тоже не является неделимой «точкой»: в нём находятся протоны и нейтроны, а внутри них — кварки и глюонное поле. При этом электрон, насколько показывает современный эксперимент, внутренней структуры не имеет и относится к элементарным частицам.
Это различие — ключ к пониманию микромира. Слово «субатомный» означает просто «меньше атома» и объединяет очень разные объекты: от составных протонов до фотонов и нейтрино, которые в Стандартной модели считаются фундаментальными. Поэтому вопрос «из чего состоит атом?» довольно быстро превращается в более глубокий: какие частицы мы сегодня считаем последним известным уровнем структуры материи?
От атома к ядру, а от ядра — к кваркам
Почти вся масса обычного атома сосредоточена в крошечном ядре. Вокруг него находятся электроны, но выражение «вращаются по орбитам» здесь лучше воспринимать только как историческую иллюстрацию. В квантовой механике электрон не летит вокруг ядра по аккуратной траектории наподобие планеты. Его состояние описывается квантовой волновой функцией, а электронные оболочки задают вероятности обнаружить электрон в разных областях пространства.
Протоны имеют положительный электрический заряд, нейтроны электрически нейтральны. Оба относятся к адронам и состоят из кварков. Протон содержит два u-кварка и один d-кварк, нейтрон — два d-кварка и один u-кварк. Но представлять их как три шарика, спокойно лежащие внутри, тоже было бы слишком грубо. Кварки взаимодействуют посредством сильного взаимодействия, переносимого глюонами, а большая часть массы протона и нейтрона связана с энергией этого динамического кварк-глюонного состояния, а не просто с суммой масс трёх кварков.
Кварки в обычных условиях не удаётся вынуть из протона или нейтрона по одному. Сильное взаимодействие приводит к конфайнменту: свободные отдельные кварки в природе не наблюдаются. Подробнее саму идею кварков можно разобрать в материале «Что такое кварк», а роль переносчиков сильного взаимодействия — в статье о глюонах.
Какие частицы считаются элементарными
Современная классификация собрана в Стандартной модели физики частиц. Частицы материи в ней относятся к двум большим семействам — кваркам и лептонам. Кварков шесть: u, d, c, s, t и b. Лептонов тоже шесть: электрон, мюон, тау-лептон и три соответствующих нейтрино. Они образуют три поколения; устойчивое вещество вокруг нас почти целиком построено из частиц первого поколения — u- и d-кварков и электронов.
Слово «элементарная» здесь означает не «самая маленькая частица, размер которой уже измерен», а то, что эксперименты пока не обнаружили у неё внутренней составной структуры. Электрон и кварки ведут себя как фундаментальные объекты в пределах достигнутых энергий и точности измерений. Это научное утверждение с оговоркой: физика не обещает, что более глубокого уровня никогда не окажется; она лишь говорит, что сегодня убедительных признаков такого уровня нет.
Кроме фермионов материи, в Стандартной модели есть бозоны. Фотон связан с электромагнитным взаимодействием, глюоны — с сильным, W- и Z-бозоны — со слабым. Отдельное место занимает бозон Хиггса: он является возбуждением поля Хиггса, взаимодействие с которым связано с массами фундаментальных частиц. Обнаружение бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере в 2012 году завершило экспериментальное подтверждение важнейшей недостающей части Стандартной модели.
У каждой фундаментальной частицы есть и античастица с соответствующими квантовыми свойствами. Для электрона это позитрон; для кварков — антикварки. При встрече частицы и античастицы возможна аннигиляция с переходом энергии в другие частицы, а в достаточно энергичном процессе, наоборот, могут рождаться пары частиц. Это ещё одна причина, почему микромир нельзя описывать только как неизменный набор крошечных объектов.
Что происходит между частицами
На субатомном уровне свойства объекта определяются не только массой и электрическим зарядом. Важны спин, тип взаимодействий и квантовые числа. Например, нейтрино не несёт электрического заряда и почти не участвует в сильном взаимодействии, поэтому способно проходить через огромные толщи вещества с малой вероятностью столкновения. Кварки, наоборот, чувствуют сильное взаимодействие и поэтому связаны внутри адронов.
Обычно говорят о четырёх фундаментальных взаимодействиях: электромагнитном, сильном, слабом и гравитационном. Первые три входят в Стандартную модель. Гравитация прекрасно описывается общей теорией относительности на больших масштабах, но завершённого квантового описания, совместимого со Стандартной моделью, у физики пока нет. Именно поэтому микромир нельзя считать «полностью разгаданным» даже после открытия Хиггса.
Есть и другие крупные вопросы. Стандартная модель не объясняет природу тёмной материи, не отвечает, почему во Вселенной осталось намного больше материи, чем антиматерии, и не объясняет сам набор масс и поколений частиц. Нейтринные осцилляции также показывают, что нейтрино имеют массу, тогда как минимальная первоначальная формулировка Стандартной модели рассматривала их как безмассовые. То есть модель чрезвычайно успешна, но заведомо не последняя глава физики.
Как физики вообще видят настолько маленькие объекты
Элементарную частицу нельзя сфотографировать как песчинку. Её свойства восстанавливают по тому, как она взаимодействует с веществом и другими частицами. В ускорителях пучки разгоняют до высоких энергий и сталкивают, а многослойные детекторы измеряют траектории, энергию, импульс и продукты распада. Чем выше энергия столкновения, тем меньшие пространственные масштабы и более тяжёлые состояния можно исследовать.
Так микромир открывался слой за слоем: сначала электрон и атомное ядро, затем протон и нейтрон, позже — кварковая структура адронов, W- и Z-бозоны, top-кварк и бозон Хиггса. Субатомный уровень поэтому лучше представлять не как один «нижний этаж» вещества, а как целую иерархию объектов и взаимодействий. Атом — важная граница для химии, но для современной физики он лишь начало истории о том, из чего построено вещество.