Протоны и нейтроны состоят из кварков и глюонного поля; большая часть их массы не является простой суммой масс кварков. Нейтрино почти не взаимодействуют с веществом, но меняют тип во время движения — нейтринные осцилляции показывают, что у них есть небольшая масса.
Два семейства вещества
Элементарные фермионы делятся на кварки и лептоны. Кварков шесть: верхний, нижний, очарованный, странный, истинный и прелестный. Они несут дробный электрический заряд и участвуют в сильном взаимодействии. В обычном веществе главную роль играют верхние и нижние кварки.
Электрон, мюон и тау имеют электрический заряд; каждому соответствует нейтрино.
Почему кварк нельзя вынуть из протона
Три кварка образуют барион: протон содержит два верхних и один нижний, нейтрон — два нижних и один верхний. Но внутри присутствует динамическое море глюонов и пар кварк–антикварк. Сильное взаимодействие становится тем интенсивнее, чем дальше пытаются разнести цветные объекты. Вместо свободного кварка энергия обычно создаёт новые адроны.
Поэтому масса протона — не простая сумма масс трёх «основных» кварков. Большая её часть связана с энергией движения и сильного поля. Здесь связь массы и энергии проявляется буквально.
Как частицы взаимодействуют
Фотон связан с электромагнитным взаимодействием, восемь типов глюонов — с сильным, а бозоны W и Z — со слабым. Поле Хиггса взаимодействует с элементарными частицами и даёт им массы по механизму, проверенному открытием бозона Хиггса. Гравитация в эту квантовую схему не входит.
Античастица имеет ту же массу и противоположные аддитивные квантовые числа, например электрический заряд. Некоторые нейтральные частицы являются собственными античастицами. При встрече материи и антиматерии сохраняются энергия, импульс и заряды: исходная пара может превратиться в фотоны или другие допустимые частицы.
Где карта заканчивается
Стандартная модель исключительно точна, но не отвечает на всё. Она не объясняет природу тёмной материи, наблюдаемое преобладание материи над антиматерией, происхождение параметров частиц и квантовую гравитацию. Эксперименты ищут отклонения, однако новая теория должна сохранить все уже успешные предсказания.
Субатомный мир поэтому не хаотичные «джунгли». Это строгая, хорошо проверенная система с небольшим набором полей — и с ясно обозначенными местами, где знания пока заканчиваются.