Элемента́рные части́цы, собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые на данный момент на практике невозможно расщепить на составные части. Под невозможностью расщепить понимается два случая. Первый – когда частица не обладает структурой (в частице, условно говоря, не просматриваются «составные части»). Такие бесструктурные частицы выделяются в особую важную категорию фундаментальных частиц. Второй – когда частица обладает структурой, но видимые в ней структурные образования оказывается невозможным отделить друг от друга (развести на макроскопическое расстояние). Это явление называется конфайнментом; ситуация конфайнмента для физики нова; здесь невозможность разделить составные части обусловлена не недостаточной разрешающей способностью наблюдательного прибора, а тем, что всякая попытка их разделения приводит ко множественному образованию всё новых частей. Чем больше усилий мы затрачиваем на разделение, тем больше новых составных частей образуется. Обладающие структурой элементарные частицы составляют обширный класс адронов.

В общих чертах классификация частиц такова. Все элементарные частицы делятся на имеющие структуру и бесструктурные; последние называются фундаментальными. Фундаментальные делятся на частицы материи, на частицы – переносчики взаимодействий и на бозоны Хиггса. Частицы материи делятся на те, что участвуют в сильных взаимодействиях (кварки), и те, что не участвуют (лептоны). Переносчики взаимодействий делятся по типам взаимодействий, которые они переносят (сильные, слабые, электромагнитные – им соответствуют глюоны, W- и Z-бозоны, фотон). Бозон Хиггса известен пока один. Все частицы, обладающие структурой (адроны), состоят из кварков (при всей условности понятия «состоят», которая будет видна из дальнейшего). Если в построении участвует чётное число кварков, частица называется мезоном (и является бозоном, т. е. описывается статистикой Бозе – Эйнштейна). Если в построении участвует нечётное число кварков, частица называется барионом (и является фермионом, т. е. описывается статистикой Ферми – Дирака).

Более детальная классификация элементарных частиц построена на квантовых числах. Основными характеристиками частиц являются: масса, спин, время жизни, цвет (цветной заряд), слабый изоспин, электрический заряд, лептонное число, барионное число, чётность (пространственная чётность, или P-чётность), временнáя чётность (T-чётность), зарядовая чётность (C-чётность), изотопический спин и производные от них гиперзаряд, G-чётность (наш список не полон, приведены лишь наиболее употребительные из квантовых чисел). Каждое из этих квантовых чисел характеризует свойства частицы относительно каких-то определённых (непрерывных или дискретных) преобразований в реальном или условном внутреннем пространстве. Так, например, масса и спин характеризуют свойства частицы относительно группы Пуанкаре, цвет и слабый изоспин – относительно поворотов в условных калибровочных пространствах сильных и слабых взаимодействий, P- и T-чётность – относительно отражения координатных осей и оси времени и т. д. Исключение составляют барионное и лептонное числа, отвечающие своим эмпирическим законам сохранения и не связанные ни с какими преобразованиями.

Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц – их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Элементарные частицы – это специфические кванты материи, более точно – кванты соответствующих физических полей. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Распад нестабильных частиц на более лёгкие частицы, сопровождаемый выделением энергии, отвечает той же закономерности и является процессом, в котором продукты распада рождаются в момент самого распада и до этого момента не существуют. 

Фундаментальные частицы

Фундаментальные частицы подразделяются на фундаментальные частицы материи, калибровочные бозоны (они же фундаментальные переносчики взаимодействий) и бозон(ы) Хиггса. Фундаментальные частицы материи подразделяются, в свою очередь, на лептоны и кварки. Водораздел между ними проходит по сильным взаимодействиям, в которых участвуют кварки, но не участвуют лептоны. Все частицы материи участвуют в слабых взаимодействиях, а в электромагнитных – все, кроме нейтрино (по причине отсутствия у них электрического заряда). Все фундаментальные частицы материи имеют спин, равный 1/2 (и поэтому являются фермионами). Все кварки имеют барионный заряд, равный 1/3, и нулевой лептонный заряд. Все лептоны имеют лептонный заряд, равный +1, и нулевой барионный заряд. Общее количество разных видов кварков (называемых также ароматами) – шесть. Общее количество разных видов лептонов – шесть.

Наряду с буквенными обозначениями за кварками и лептонами закреплены словесные имена: u = up («верхний»), d = down («нижний»), s = strange («странный»), c = charm («очарованный»), b = beauty («прелестный») или bottom («нижний»), t = top («верхний») или truth («правдивый»). Названия лептонов: e = электрон, μ = мюон, τ = тау-лептон; ν_e, ν_μ, ν_τ – соответственно электронное, мюонное и тау-нейтрино.

По отношению к их роли в слабых взаимодействиях все ароматы разделяются на «верхние» и «нижние». К верхним относятся кварки u, c, t и все виды нейтрино. К нижним относятся кварки d, s, b и все виды заряженных лептонов: e, μ, τ. Современная теория слабых взаимодействий рассматривает верхние и нижние ароматы как различные состояния одной и той же частицы, отличающиеся направлением слабого изоспина в условном слабом изотопическом пространстве. Так, частица с проекцией слабого изоспина на условную ось $T_3 = +1/2$ выглядит как электронное нейтрино, а та же частица с проекцией $T_3 = –1/2$ – как электрон, и т. д. Фундаментальная $SU(2)$-симметрия слабых взаимодействий нарушена, поэтому массы состояний с $T_3 = +1/2$ и $T_3 = –1/2$ различны.

Кварки участвуют также и в сильных взаимодействиях. Зарядом, отвечающим за сильные взаимодействия, является цвет. У кварков цвет может принимать три значения (условно называемые красным, синим и зелёным), переходящие друг в друга при поворотах во внутреннем цветовом пространстве. Фундаментальная $SU(3)$-симметрия сильных взаимодействий не нарушена, поэтому масса кварка в любом цветовом состоянии остаётся одинаковой.

Для каждой из фундаментальных частиц материи существует античастица, имеющая строго ту же массу, что и частица, но отличающаяся знаками электрического, лептонного и барионного заряда, знаком проекции слабого изоспина $T_3$ и цветом (у кварков). Соответствующие цвета у антикварков называются антикрасный, антисиний и антизелёный. Полный список фундаментальных частиц материи приведён в таблице 1.

Таблица 1. Фундаментальные частицы материи и их античастицы.

Приведены значения барионного заряда B, лептонного заряда L, электрического заряда Q, слабого изоспина T и его проекции T₃, токовой массы m и конституэнтной массы m^* (смысл двух понятий массы будет разъяснён далее в тексте). Массы нейтрино на настоящее время не измерены, для них получены лишь ограничения сверху (m < 1 эВ).

К фундаментальным переносчикам взаимодействий относятся фотон γ, отвечающий за перенос электромагнитных взаимодействий, W⁺–, W^–– и Z⁰-бозоны, отвечающие за перенос слабых взаимодействий, и 8 (по числу цветовых состояний) глюонов g, отвечающих за перенос сильных взаимодействий. К этому списку можно было бы добавить и гравитон – гипотетический квант гравитационного поля, – однако следует иметь в виду, что гравитон как частица пока экспериментально не обнаружен и что квантовая теория гравитации пока не создана. Современные теории сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий построены по единому образцу и исходят из общего для всех постулата, известного как принцип локальной калибровочной инвариантности. Все перечисленные взаимодействия называются поэтому калибровочными, а их переносчики – калибровочными бозонами. Спин калибровочных бозонов γ, W^±, Z⁰ и g равен 1, что непосредственно вытекает из калибровочного принципа; спин гравитона равен 2. Калибровочные симметрии $U(1)$ и $SU(3)$ являются точными, и соответствующие им бозоны – фотон и глюоны – безмассовы. В то же время калибровочная симметрия $SU(2)$ спонтанно нарушена, и соответствующие бозоны W⁺, W^– и Z⁰ массивны: $m_W = 80,4 ГэВ,  m_Z = 91,2 ГэВ.$ Массивность W- и Z-бозонов долгое время не позволяла построить непротиворечивую теорию слабых взаимодействий; решение проблемы было найдено в механизме Хиггса.

Бозоны Хиггса обладают слабым зарядом и, таким образом, взаимодействуют с W⁺-, W^–- и Z⁰-бозонами. Однако взаимодействия бозонов Хиггса друг с другом и с частицами материи имеют некалибровочную природу. Это (пока) единственный пример некалибровочного взаимодействия среди всех фундаментальных. Взаимодействие бозонов Хиггса друг с другом устроено таким образом, что наиболее выгодным энергетическим состоянием оказывается не пустота (полное отсутствие частиц и полей), а некоторая определённая конечная плотность поля Хиггса. Соответственно вакуум, определяемый как наинизшее из возможных энергетических состояний, оказывается равномерно наполнен «хиггсовским конденсатом». Наполняющее вакуум хиггсовское поле не воспринимается как частица. Его присутствие обнаруживается только через взаимодействие с другими частицами, которые благодаря этому взаимодействию приобретают массу. Но возбуждение хиггсовского поля над вакуумным состоянием уже воспринимается как частица – собственно бозон Хиггса. Спин бозона Хиггса равен 0, масса равна $m_H = 125 ГэВ.$

Философское значение открытия механизма Хиггса состоит в изменении взглядов на вакуум и физическую природу массы. Утилитарное значение открытия состоит в обеспечении перенормируемости теории слабых взаимодействий. 

Структура фундаментальных взаимодействий

Общие принципы

Роль основополагающего постулата в теории взаимодействий фундаментальных частиц принадлежит принципу локальной калибровочной инвариантности. Этот принцип используется для построения теорий всех фундаментальных взаимодействий – сильного, слабого, электромагнитного (и, возможно, гравитационного). Принцип глобальной калибровочной инвариантности заключается в требовании, чтобы лагранжиан системы был инвариантен относительно преобразований, составляющих некоторую группу внутренней симметрии. Принцип локальной калибровочной инвариантности распространяет то же требование на случай, когда параметры преобразований произвольным образом меняются от точки к точке в пространстве (с единственным ограничением, чтобы зависимость параметров от координат была непрерывной).

Построение начинается с лагранжиана свободных частиц материи. Лагранжиан содержит производные, поэтому после локального калибровочного преобразования он меняет форму: в нём появляются члены с производными от параметров преобразования. Для устранения этих членов в лагранжиан вводятся компенсирующие поля, которые также меняются при калибровочном преобразовании, но притом так, чтобы их вклад в точности сократил «лишние» члены (структура этих полей, разумеется, полностью предопределена структурой калибровочных преобразований). Вот эти компенсирующие поля и являются калибровочными полями – переносчиками взаимодействий. Их векторный характер прямо следует из того, что они должны скомпенсировать операцию дифференцирования.

Постулирование группы внутренней (калибровочной) симметрии как $U(1)$ приводит к уравнениям Максвелла, описывающим электромагнитные взаимодействия. Постулирование калибровочной симметрии как $SU(2)$ или $SU(3)$ приводит к уравнениям Янга – Миллса, описывающим, соответственно, слабые или сильные взаимодействия. По отношению к гравитационным взаимодействиям в качестве калибровочной группы выступает группа Пуанкаре. 

Сильные взаимодействия

Зарядом, отвечающим за сильные взаимодействия, является цвет. Ему соответствует группа внутренней симметрии $SU(3).$ Кварки принадлежат триплетному фундаментальному представлению этой группы, глюоны – октетному присоединённому представлению. Принципиально, что глюоны, носители сильных взаимодействий, сами обладают цветным зарядом и, следовательно, также могут быть источником цветных сил. Это важное отличие от электромагнитных взаимодействий, где фотон не имеет электрического заряда. Уравнения Янга – Миллса, в отличие от уравнений Максвелла, нелинейны; для них не выполняется принцип суперпозиции. Хромодинамический лагранжиан содержит слагаемые, отвечающие прямому взаимодействию глюонов друг с другом (трёх- и четырёхглюонные вершины).

Статическое взаимодействие цветных зарядов, например кварка и антикварка, по-прежнему (как и в электростатике) удобно изображать силовыми линиями, непрерывность которых обеспечивается теоремой Гаусса (она справедлива для безмассовых глюонов). При этом полный поток цветового поля сохраняется, но распределение силовых линий в пространстве кардинально меняется. Цветные силовые линии стягиваются в пучок (струну) постоянного сечения и с постоянной плотностью энергии на единицу длины. Эмпирические оценки дают для неё величину ~ 200 МэВ/фм. Отсюда следует, что полная энергия системы кварк – антикварк пропорциональна длине струны, т. е. расстоянию между кварками, что соответствует неограниченному линейно растущему потенциалу. Как видим, для полного разделения цветных зарядов необходимо затратить бесконечную энергию. Явление пространственной неразделимости цветовых зарядов получило название конфайнмент (от англ. сonfinement – заключение).

В действительности (в реальных экспериментах) струна не растягивается до бесконечности, а разрывается на фрагменты с образованием на концах разрывов новых кварков и антикварков. Энергетическая выгодность этого процесса обусловлена уменьшением объёмной энергии поля струны. Процесс дробления (фрагментации) струны продолжается до тех пор, пока в системе остаётся энергия. Каждый из фрагментов представляет собой участок струны, натянутый между противоположными цветными зарядами, и не несёт цвета как целое. Эти фрагменты являются адронами. Фрагментация цветных струн служит основным механизмом множественного образования частиц в адронных взаимодействиях.

В то время как на больших расстояниях потенциал взаимодействия цветных зарядов даётся линейно возрастающей функцией $U \sim r$, на малых расстояниях он остаётся кулоновским $U \sim 1/r.$ Однако к кулоновской части потенциала имеются существенные поправки, связанные с поляризацией вакуума. В поле, окружающем цветной заряд, всегда присутствуют квантовые флуктуации – рождающиеся и исчезающие кварк-антикварковые и глюонные пáры. Кварк-антикварковые пáры уменьшают эффективный (видимый) центральный заряд, подобно тому как поляризация плазмы уменьшает электрический заряд (дебаевское экранирование). Напротив, глюонные пáры увеличивают эффективный заряд (свойство антиэкранировки), причём их вклад побеждает. Суммирование всех вкладов методом ренормгруппы выражается в логарифмической зависимости эффективного заряда от расстояния. В пределе малых расстояний (больших энергий) эффективный заряд стремится к нулю. Такое поведение цветного заряда получило название асимптотической свободы.

Нелинейность глюон-глюонного взаимодействия приводит к ещё одному нетривиальному следствию – формированию вакуумного глюонного бозе-конденсата. Ранее мы упоминали, что взаимодействие с хиггсовским вакуумным конденсатом придаёт частицам массу. В случае кварков эта масса называется токовой. Взаимодействуя с вакуумным глюонным конденсатом, кварки приобретают дополнительную массу. Величина этой добавки не зависит от аромата и составляет приблизительно 300 МэВ. Вся масса в сумме с токовой называется конституэнтной (от англ. сonstituent – составная; именно она участвует в формировании адронов из кварков). При нагревании до температуры $kT \sim 200 МэВ$ вакуум претерпевает фазовый переход: глюонный конденсат разрушается, u- и d-кварки становятся практически безмассовыми и ядерная материя переходит в состояние кварк-глюонной плазмы. Существование фазового перехода (в противоположность непрерывному изменению) вытекает из решёточных вычислений. Род фазового перехода (первый или второй) является предметом обсуждения; не исключается также существование критической точки. 

Слабые взаимодействия

Зарядом, отвечающим за слабые взаимодействия, является слабый изоспин. Ему соответствует группа внутренней симметрии $SU(2).$ Необходимо отметить связь группы слабой симметрии с группой Лоренца и понятием спиральности.

Известно, что алгебру Ли группы Лоренца образуют 6 генераторов: три поворота $R_α (α = x, y, z)$ относительно координатных осей x, y, z и три буста (или Лоренцевых сдвига) $\boldsymbol L_α$ вдоль направлений x, y, z. Алгебру Ли группы Лоренца можно упростить, если перейти к генераторам $\boldsymbol K_α^± = (R_α ± iL_α)/2.$ Для этих генераторов выполняются коммутационные соотношения $[\boldsymbol K_α^+, \boldsymbol K_β^+] = - ε_{αβγ} \boldsymbol K_γ^+, [\boldsymbol K_α^-, \boldsymbol K_β^-] = - ε_{αβγ} \boldsymbol K_γ^- , [\boldsymbol K_α^+, \boldsymbol K_β^-] = 0,$ где $ε_{αβγ}$ – антисимметричный тензор Леви – Чивиты. Эти соотношения показывают, что алгебра Ли группы Лоренца расщепляется в прямую сумму двух алгебр (построенных соответственно на генераторах $\boldsymbol K_α^+$ и $\boldsymbol K_α^-$ ), каждая из которых изоморфна алгебре спина $SU(2).$ Таким образом, неприводимые представления группы Лоренца характеризуются их свойствами относительно её независимых «левоспиральной» и «правоспиральной» подгрупп $SU(2).$ Слабые взаимодействия являются единственными среди всех калибровочных, свойства которых относительно левоспиральной и правоспиральной подгрупп группы Лоренца различны.

Левоспиральные кварки и лептоны принадлежат фундаментальному дуплетному представлению калибровочной группы $SU(2);$ правоспиральные кварки и лептоны являются синглетами. Калибровочные бозоны W⁺, W^– и Z⁰ принадлежат присоединённому триплетному представлению. Бозон Хиггса принадлежит дуплетному представлению. Уравнения Янга – Миллса для слабых взаимодействий нелинейны, однако явления, аналогичного конфайнменту в сильных взаимодействиях, не наблюдается. Причина – в массивности калибровочных бозонов. Теорема Гаусса в этих условиях не выполняется, силовые линии поля обрываются в вакуум и не формируют струну.

Слабые взаимодействия являются также единственными известными с нарушенной калибровочной симметрией. Ответственность за нарушение симметрии лежит на потенциале самодействия бозонов Хиггса, который устроен таким образом, что наиболее выгодным (вакуумным) энергетическим состоянием оказывается некоторая конечная плотность поля Хиггса, но отнюдь не пустота. Взаимодействующие с вакуумным хиггсовским конденсатом частицы приобретают благодаря этому взаимодействию массу. В частности, масса W^±-бозонов однозначно определяется плотностью вакуумного конденсата η и константой g слабого взаимодействия: $m_W = g η/2.$ При больших энергиях высотой «донной выпуклости» потенциальной ямы (т. е. слагаемым η² в гамильтониане) можно пренебречь, и вся теория ведёт себя как при безмассовых калибровочных бозонах – на это и опирается доказательство перенормируемости теории. Иными словами, опасные члены, связанные с продольной поляризацией массивных векторных бозонов, компенсируются вкладом хиггсовских бозонов.

Третья особенность слабых взаимодействий состоит в том, что в них, также единственных из известных, не сохраняется комбинированная CP-чётность. Явление несохранения CP-чётности играет большую роль в нашей жизни, т. к., согласно общепринятой гипотезе, является причиной барионной асимметрии Вселенной – преобладания вещества над антивеществом во вселенских масштабах. Математический формализм явления строится на т. н. матрице смешивания, или матрице Кобаяши – Маскавы, – схеме, в которой взаимодействие W-бозонов с кварками имеет вид

$$L  = -ig ∑_j  ∑_k W q_i˜ V_{jk} q_k, где  q_i = u, c, t;  q_k = d, s, b.$$Существенно, что некоторые элементы матрицы смешивания $V$ могут быть комплексными. Из условия унитарности матрицы смешивания, $\Sigma_k V_{ik}^† V_{kj} = I_{ij},$ имеем (наряду с 5 другими аналогичными тождествами): $$V_{ub}^*V_{ud} + V_{cb}^*V_{cd} + V_{tb}^*V_{td} = 0.$$Слагаемые в этой формуле, комплексные числа, образуют в комплексной плоскости замкнутый треугольник, называемый треугольником унитарности. При строгом сохранении CP он вырождается в фигуру нулевой площади. Углы и стороны этого треугольника измеряются в распадах адронов. При числе кварковых поколений меньше 3 все элементы матрицы смешивания действительны и нарушение CP-чётности (в рамках данного подхода) оказывается невозможным. 

Адроны

Аддитивная кварковая модель

Статические (т. е. проявляющиеся при мягких взаимодействиях) свойства адронов хорошо описываются аддитивной кварковой моделью. Модель называется аддитивной, т. к. квантовые числа адронов получаются в ней путём простого алгебраического сложения соответствующих квантовых чисел кварков. Это относится к таким величинам, как масса, электрический и барионный заряды, магнитный момент, цвет и спин. Для сложения спинов применяются правила спиновой алгебры $SU(2).$ Все адроны бесцветны, т. е. синглетны относительно цветной группы $SU(3).$ Объединение кварков в адроны обусловлено сильными взаимодействиями. Адроны делятся на два больших класса – мезоны (подчиняющиеся статистике Бозе – Эйнштейна) и барионы (подчиняющиеся статистике Ферми – Дирака). У каждого из барионов имеется соответствующая ему античастица (антибарион), имеющая строго ту же массу, но противоположные значения всех зарядов. Мезоны в подавляющем большинстве образованы кварком и антикварком, барионы – тремя кварками, а антибарионы – тремя антикварками дополнительных цветов. Поведение кварков в связанных системах в целом отвечает движению квантовомеханической частицы в потенциальной яме. Поскольку потенциал сильных взаимодействий на малых расстояниях подобен кулоновскому, наблюдается и некоторое сходство структуры адронов со структурой атомов. В частности, для классификации адронов используются атомные спектроскопические обозначения.

По своему кварковому составу адроны делятся на лёгкие (построенные исключительно из u- и d-ароматов), странные (с дополнительным участием s-кварков) и тяжёлые (с участием c- и b-кварков; t-кварк распадается слишком быстро, не успевая образовать адронных состояний). Характеристики лёгких адронов связаны между собой эмпирически установленной $SU(2)$-симметрией изотопического спина $I$ [не путать с $SU(2)$-симметрией слабого изоспина], а характеристики лёгких и странных адронов – приближённой $SU(3)$ унитарной симметрией (не путать с цветовой симметрией; в силу бесцветности всех адронов цветовая симметрия в данном разделе упоминаться не будет). В соответствии с указанными типами симметрии адроны образуют семейства (называемые на строгом математическом языке мультиплетами). В пределах каждого семейства адроны обладают строго одинаковым полным спином и приблизительно одинаковой массой. Примеры $SU(2)$- и $SU(3)$-мультиплетов приведены в таблице 2. Распределение частиц по мультиплетам существенно влияет на вероятность процессов их взаимных превращений. Одно из частных проявлений такого влияния выражается в правилах отбора, вытекающих из строгого сохранения изотопического спина в сильных взаимодействиях.

Таблица 2. Мезоны октетного и синглетного унитарного представлений со спином J=0.

Таблица 3. Мезоны октетного и синглетного унитарного представлений со спином J=1.

Таблица 4. Барионы октетного унитарного представления со спином J=1/2.

Таблица 5. Барионы декуплетного унитарного представления со спином J=3/2.

Приведены значения полного спина J, чётности P, кварковый состав частиц в рамках аддитивной модели, значения электрического заряда Q, странности S, изотопического спина I и его проекции I₃, массы m, времени жизни τ или ширины распада Γ (если τ < 10^–20 с). Частицы, относящиеся к одному и тому же изотопическому мультиплету, обозначаются одной и той же буквой (за исключением протона p и нейтрона n).

Все приведённые в таблицах частицы соответствуют основным (невозбуждённым) уровням связанных состояний. Добавление радиального возбуждения или орбитального момента отвечает частицам того же кваркового состава, но с большей массой.

Возбуждённые уровни нестабильны и распадаются с испусканием фотонов или лёгких адронов за времена порядка 10^–23 с. Различие во временах жизни легло в основу деления элементарных частиц на «стабильные», «квазистабильные» (с временем жизни $τ > 10^{-20}$ с) и «резонансы» (с временем жизни $τ < 10^{-23}$ с), продержавшегося в литературе до середины 1990-х гг. Казалось, что такое разделение несёт также информацию о механизме распада, обусловленном слабым или электромагнитным взаимодействием у частиц и сильным взаимодействием у резонансов. В дальнейшем по мере открывания всё новых частиц оказалось, что времена жизни квазистабильных частиц и резонансов перекрываются, а связь времени жизни с механизмом распада или с нахождением в основном или возбуждённом состоянии не столь однозначна.

В 21 в. во всё большем количестве стали также обнаруживаться частицы, не укладывающиеся в традиционную схему «три кварка» для барионов и «кварк – антикварк» для мезонов. Такие состояния описываются в терминах «тетракварк», «пентакварк» и «адронная молекула». Отличие адронной молекулы от прочих частиц состоит в том, что она может быть интерпретирована как связанное состояние бесцветных адронов. Пользуясь химической аналогией, можно сказать, что в её построении участвует ковалентная связь. В то время как в обычных мезонах и барионах кварки привязаны к объектам противоположного цвета (ионной связью), адронная молекула мыслится как объединение нейтральных по цвету частей (сходных по своей структуре с адронами). 

Партонная модель

Кварки, в совокупности обеспечивающие (в рамках аддитивной модели) все квантовые числа адрона, называются валентными. Структура адрона, однако, не исчерпывается его валентным содержанием. Существенной чертой элементарных частиц как типично квантовых объектов является наличие квантовых флуктуаций. Флуктуации приводят к непрерывному рождению и уничтожению дополнительных кварк-антикварковых пар и глюонов (эти дополнительные кварки и антикварки называются морскими). Флуктуации живут лишь непродолжительное время – столько, сколько им позволяет принцип неопределённости, и потому имеют компактные размеры. Тем не менее их тоже можно зарегистрировать, если иметь достаточно коротковолновой «микроскоп», т. е. измерительный прибор с достаточной разрешающей способностью. Такими измерительными приборами служат современные ускорители, а их разрешающая способность определяется той энергией, которой обмениваются сталкивающиеся частицы. В таких столкновениях адроны выглядят как облака валентных и морских кварков и глюонов, собирательно называемых партонами (от англ. part – часть), а взаимодействие между адронами сводится к взаимодействию образующих их партонов. Вероятность обнаружить в адроне партон данного типа i (где i = u, d, g и т. д.), несущий долю импульса x относительно полного импульса адрона, называется партонным распределением $F_i(x).$ Набор распределений всех возможных партонов несёт доступную для измерения информацию о структуре адрона. Количество видимых в адроне партонов зависит от условий наблюдения, т. е. от условий взаимодействия, а именно от характерной величины μ переданных во взаимодействии энергии – импульса. Партонные распределения $F_i(x,μ)$ логарифмически растут с ростом μ. Вероятность того, что при неупругом взаимодействии адронов a и b родится состояние X, вычисляется как произведение трёх вероятностей: найти в адронах a и b партоны j и k и вероятности получить во взаимодействии партонов j и k состояние X:

$$σ (a+b → X) = ∫ F_j^{(a)}(x_1,μ) F_k{(b)}(x_2,μ) σ(j+k→X) dx_1 dx_2.$$Приведённая формула составляет основное содержание партонной модели. 

Неполнота Стандартной модели

Изложенная выше совокупность представлений о фундаментальных частицах и взаимодействиях между ними получила собирательное название Стандартной модели. На нынешнем этапе в Стандартной модели не нашлось места для некоторых важных природных явлений. Одной из неразгаданных проблем остаётся иерархия масс: почему массы фундаментальных частиц различаются так сильно – больше, чем на 11 порядков от нейтрино до t-кварка? Механизм Хиггса ответа не даёт, т. к. необъяснимые значения масс просто переадресуются к необъяснимым значениям юкавских констант.

К проблеме масс близко примыкает и проблема осцилляций нейтрино. Современный математический формализм, описывающий это явление, исходит из положения, что состояния нейтрино, участвующие в заряженных токах (во взаимодействиях с W-бозонами), отличаются от состояний, имеющих определённую массу. На математическом языке это называется недиагональностью массовой матрицы относительно поколений. В случае осцилляций нейтральных мезонов $(K^0, B^0, BS^0)$ недиагональность массовой матрицы обусловлена тем, что мезоны участвуют в двух разных типах взаимодействий – сильных, сохраняющих аромат, и слабых, не сохраняющих аромат. Нейтрино же участвуют только в одном взаимодействии – слабом, где сохранение каждого из лептонных чисел в заряженных токах проверено с высокой степенью точности. Ввести недиагональную массовую матрицу через юкавское взаимодействие с полем Хиггса не получится, поскольку поле Хиггса является слабым изодублетом по той же калибровочной группе $SU(2),$ что и сами нейтрино. Таким образом, нейтринные осцилляции входят в противоречие с основополагающим принципом теории – с глобальной калибровочной инвариантностью. Наличие внутреннего противоречия в теории означает, что мы заведомо знаем не все типы взаимодействий. Недиагональные элементы массовой матрицы можно получить в предположении нового (пока не открытого) взаимодействия калибровочной природы, в предположении новых (пока не открытых) разновидностей полей Хиггса и т. д.

Во всяком случае, спектр имеющихся в природе взаимодействий и частиц придётся расширить.

Другое необъяснённое пока явление – в прямом смысле космического масштаба – барионная асимметрия Вселенной. За ней скрывается тот факт, что все галактики в пределах доступной нам области наблюдений состоят из вещества – и нет ни одной из антивещества. Считая, что Вселенная родилась из флуктуации с вакуумными квантовыми числами (нулевым полным барионным зарядом), для возникновения асимметрии необходимо предположить три условия. Во-первых, должно существовать взаимодействие, не сохраняющее барионный заряд. Среди известных такого нет, но оно возможно, например, в рамках теорий Великого объединения. Во-вторых, должно быть взаимодействие, отличающее вещество от антивещества, т. е. не обладающее CP-инвариантностью. Это верно для слабого взаимодействия. Степень несохранения CP-чётности тут выглядит довольно незначительной, но бо́льшая и не обязательна. И в-третьих, в момент генерации барионной асимметрии не должно быть теплового равновесия, поскольку тепловое равновесие усредняет все разности до нуля. Три эти условия, сформулированные советским физиком А. Д. Сахаровым, считаются строго необходимыми, хотя упования на несохранение барионного числа именно в Великом объединении несколько ослабли: слишком велик масштаб энергий, при которых начинает работать Великое объединение (10¹⁵ ГэВ). В качестве альтернатив обсуждаются классические (принципиально неквантуемые) решения уравнений Янга – Миллса, не сохраняющие барионное число (такие, оказывается, есть) или специально подобранные схемы с участием стерильных нейтрино. Словом, поиск теорий продолжается. Но в любом случае подразумевается существование до сих пор не открытых сущностей – будь то калибровочные бозоны Великого объединения, или неведомые пока ароматы нейтрино, или что-либо ещё.

Космический характер имеет и ещё одна неразгаданная загадка – т. н. тёмная материя. Прямым указанием на её существование служит распределение по скоростям звёзд в галактиках. Линейные скорости звёзд измеряются по эффекту Доплера. При этом оказывается, что зависимость скорости звезды от её расстояния до центра масс галактики отличается от предписываемой законами Кеплера. Движение звёзд таково, будто в галактике, помимо видимых звёзд, присутствует дополнительная тяготеющая масса, распределённая по всему объёму галактики. Эта не светящаяся сама и не поглощающая света субстанция получила название тёмной материи. Её количество по массе приблизительно впятеро превосходит массу видимых светящихся звёзд. Гипотетические кандидаты на роль тёмной материи столь многочисленны, что обсуждать их в рамках данной статьи представляется неразумным.

Заслуживает упоминания и тёмная энергия. Она в строгом смысле не относится к физике элементарных частиц, т. к. заведомо не имеет воплощения в частицах. Тёмная энергия была изобретена чисто теоретически для объяснения наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной. Стоящая за этим понятием физическая сущность может относиться к одной из трёх категорий. Это может быть космологическая мировая константа – неизменная энергетическая плотность, присущая вакууму и равномерно заполняющая пространство Вселенной (другими словами, постулируется ненулевая энергия и давление вакуума; такой вариант эквивалентен лямбда-члену в космологическом уравнении Эйнштейна); это может быть неквантуемое динамическое поле (т. н. квинтэссенция), плотность которого может меняться в пространстве и времени; и это может быть модификация закона тяготения на больших расстояниях. Ныне принимается, что масса–энергия наблюдаемой Вселенной складывается на ~5 % из обычной барионной материи, на ~27 % из тёмной материи и на ~68 % из тёмной энергии.