На рис. 10.4 сравнивается теоретическая и экспериментально измеренная распространенность легких ядер в зависимости от ΩB — отношения барионной плотности к критической плотности. Хотя числовые значения все еще уточняются, последние измерения указывают на то, что ΩB меньше 5%, а 26% от общей массы Вселенной представлены темной материей, которая не может состоять из известных нам атомов.
Расцвет физики частиц
Одновременно с открытием РИ в 1964 году произошел расцвет новой области — физики элементарных частиц. В этой деятельности довелось принять участие и мне. Будучи аспирантом, я работал в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, а после защиты докторской в 1963 году в течение 37 лет занимал должность преподавателя физики в Гавайском университете, периодически читая лекции в университетах Гейдельберга, Оксфорда, Рима и Флоренции. В итоге оказалось, что физика частиц играет важную роль в космологии, поэтому позвольте мне на время переключить ваше внимание с очень больших объектов на очень маленькие.
Использование все более мощных ускорителей и все более чувствительных детекторов частиц открыло дверь в огромный новый мир субатомной материи. Кульминацией стало создание в 1970-х годах стандартной модели элементарных частиц и взаимодействий. В этой модели нашлось место всем обнаруженным частицам, и она успешно описывает их взаимодействие.
10 апреля 2014 года, когда эта книга еще была в процессе написания, сотрудники лаборатории ЦЕРН (Европейского центра ядерных исследований) в Женеве подтвердили с высокой степенью статистической значимости существование «экзотической» отрицательно заряженной частицы, названной Z(4430), о существовании которой ранее заявляла другая исследовательская группа. Журналисты предположили, что это пошатнуло стандартную модель. Но это не так. Частица Z(4430) определенно состоит из четырех кварков, она первая в своем роде. Однако ее существование опровергает стандартную модель не более, чем существование ядра гелия с четырьмя нуклонами противоречит ядерной модели.
В табл. 11.1 приведены элементарные частицы и их массы согласно стандартной модели. Масса каждой частицы дана в единицах измерения энергии — миллионах электрон-вольт (МэВ) или миллиардах электронвольт (ГэВ), которые равны энергии покоя частицы, эквивалентной ее массе согласно формуле Е = mc2, поскольку c — не более чем произвольная постоянная.
| Фермионы (антиастицы не показаны) | Бозоны | |||
| Кварки | u | c | t | γ |
| 2,3 МэВ | 1,27 ГэВ | 173 ГэВ | 0 | |
| d | s | b | g | |
| 4,8 МэВ | 95 МэВ | 4,18 ГэВ | 0 | |
| Лептоны | νe | νμ | ντ | Z |
| см. в тексте | см. в тексте | см. в тексте | 90,8 ГэВ | |
| e | μ | τ | W | |
| 0,511 МэВ | 106 МэВ | 1,78 ГэВ | 80,4 ГэВ | |
Рассмотрим группу частиц, называемых фермионами. Все они имеют собственный момент импульса, или спин, равный 1/2[15]. Существует три «поколения» фермионов, им соответствуют столбцы, обозначенные «u», «c» и «t». Каждое поколение состоит из двух кварков и двух лептонов. Первое поколение слева состоит из u-кварка с зарядом +2е/3, где e — элементарный электрический заряд, и d-кварка с зарядом -e/3. Ниже расположены лептоны первого поколения: нейтрино электронное νe с нулевым зарядом и электрон e с отрицательным зарядом -e. Каждый фермион сопровождает противоположно заряженная античастица, не показанная в таблице (антинейтрино, как и нейтрино, имеют нулевой электрический заряд).
15
Спин — это момент импульса, обычно он выражается в единицах ħ = h/π, где ħ — постоянная Планка.