Кварки и лептоны — самые маленькие из известных нам частиц. Существует ли что-то меньшее?

 Физики элементарных частиц используют гигантские ускорители для исследования бесконечно малого.

Конечная цель физики — определить мельчайшие строительные блоки, из которых построена Вселенная, и описать законы, управляющие ими. Пока мы этого не сделаем, наше понимание природы будет неполным. Достижение этой цели станет для нас вызовом в обозримом будущем, но исследователи используют огромный центр в Европе для изучения этих крошечных строительных блоков. На Большом адронном коллайдере исследователи нагревают вещество до температур, намного превышающих температуру в центре Солнца.

Классический вопрос, современный прогресс

Каковы самые маленькие и самые основные ингредиенты Вселенной? Вопрос стар, как сама наука. Греческие философы впервые задали этот вопрос 2500 лет назад. Современные ученые знают гораздо больше об этом предмете, но даже сегодня исследователи не могут дать окончательного ответа. Итак, после двух тысячелетий исследований и многих открытий продолжается научное изучение этого извечного вопроса. 

Как известно любому студенту-химику, окружающая вас материя состоит из бесконечных комбинаций примерно 100 различных видов атомов — атомов с такими названиями, как водород, кислород, медь и олово. Хотя полное понимание атомов научит вас большей части того, что вам нужно знать о химии, атомы не являются мельчайшим компонентом материи.

Почти столетие назад ученые поняли, что атомы состоят из еще более мелких объектов. Два крошечных типа частиц, протоны и нейтроны, были обнаружены в плотных ядрах в центре атомов. Третий тип частиц роится вокруг ядра, как облако комаров, переполненных кофеином. Эта третья частица называется электроном.

Протоны, нейтроны и электроны тогда считались мельчайшими строительными блоками материи, но вскоре их классификация была узурпирована. Около полувека назад ученые обнаружили, что протон и нейтрон состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками. До сих пор электрон сопротивлялся всем попыткам найти внутри себя меньшую частицу. Он остается самым известным представителем класса частиц, называемых лептонами. Кварки и лептоны были обнаружены и считаются устоявшейся наукой.

Наблюдение за мельчайшими частицами во Вселенной

На момент написания этой статьи кварки и лептоны были самыми маленькими известными строительными блоками в природе, и они действительно очень маленькие. Самая мощная аппаратура может видеть объекты меньше протона, но кварки и лептоны слишком малы, чтобы напрямую отображать их с помощью современного оборудования. Тем не менее, несмотря на их крошечный размер, многие исследователи задаются вопросом, не состоят ли кварки и лептоны из еще более мелких частиц.

Когда ученые ищут все более мелкие объекты, они больше не используют обычные микроскопы. Вместо этого они обращаются к ускорителям частиц, которые сталкивают протоны, летящие со скоростью, близкой к скорости света. Возможность наблюдать вещи в таких малых масштабах в решающей степени зависит от энергии, при которой протоны сталкиваются друг с другом. Высшая энергия способна отображать мельчайшие вещи.

Самый высокоэнергетический ускоритель частиц в мире — Большой адронный коллайдер , расположенный на франко-швейцарской границе. Этот невероятный объект, который начал работу в 2011 году, может генерировать самые высокие температуры, когда-либо достигнутые в лаборатории. Используя данные, полученные за последнее десятилетие, ученые могут отображать объекты размером до 1/10 000 размера протона. Когда исследователи использовали его для поиска объектов меньше кварков и лептонов, они ничего не нашли. Если такие объекты существуют, они меньше, чем может обнаружить установка.

Тем не менее Большой адронный коллайдер будет продолжать работать в течение следующих нескольких десятилетий, чтобы улучшить наше понимание того, как материя ведет себя в экстремальных условиях. Среди многих других исследований ученые будут продолжать искать объекты внутри кварков и лептонов, и будущие данные должны дать десятикратное улучшение наименьших размеров, которые могут быть разрешены. Большой адронный коллайдер, конечно же, не только ищет мельчайшие частицы, но и может проводить множество измерений. На данный момент данные, полученные с коллайдера, были использованы для публикации более 3000 научных статей.

Ученые надеются построить еще более мощное сооружение , которое затмит возможности Большого адронного коллайдера. Если такой объект будет построен, он сможет более тщательно изучать законы природы, в том числе путем поиска еще более мелких вещей. Временной горизонт для запуска такого объекта - начало 2040-х годов.

Поиск мельчайших частиц остается одним из величайших занятий науки. Эти частицы должны были доминировать во Вселенной сразу после катастрофического Большого взрыва. Если мы действительно хотим понять, как возник весь космос, мы должны следовать по стопам, первыми пройденными древними греками. Только тогда мы, наконец, достигнем конечных целей физических исследований.

Источник