Сколько всего элементарных частиц? Ответ, казалось бы, простой, но физики до сих пор не могут сойтись во мнении. На плакатах Стандартной модели обычно рисуют 17 частиц: 12 фермионов (электрон, мюон, тау, три нейтрино и шесть кварков), четыре бозона-переносчика сил (фотон, W- и Z-бозоны, глюон) и бозон Хиггса. Профессор Гарварда Мелисса Франклин считает, что 17 — это правильный ответ.
Но стоит копнуть глубже — и число начинает расти. Например, у каждой частицы есть античастица. Франклин исключает их из подсчёта, утверждая, что они математически зеркальны и не должны учитываться дважды. Однако античастицы реальны и играют разные роли во Вселенной. Их добавление даёт уже 30 частиц.
Дальше — больше. Глюонов на самом деле восемь, а не один. У каждого свой набор цветовых зарядов. Считаем все восемь — получаем 37. Кварки тоже имеют цвет (красный, зелёный, синий), а антикварки — антицвет. Вместо шести кварков и шести антикварков выходит 36. Теперь их 61.
Но и это не всё. Частицы бывают лево- и правозакрученными — это свойство называется хиральностью. У бозонов есть поляризация. Если считать каждое такое состояние отдельно, получается 118 частиц — от правозакрученного антикрасного анти-очарованного кварка до продольно поляризованного W-бозона.
Физик Дэвид Тонг из Кембриджа предложил зайти с другой стороны и считать не частицы, а «степени свободы» — то есть все возможные способы, которыми поле может меняться. В 2011 году Адам Швиммер и Зохар Комаргодский доказали так называемую a-теорему. Она гласит: количество эффективных степеней свободы в квантовой теории поля всегда уменьшается при переходе к крупным масштабам. Но самое интересное — значения этих степеней оказались фиксированными и дробными. Скалярные поля (как поле Хиггса) имеют 1 степень свободы, фермионы — 5,5, а калибровочные поля — 62.
Комаргодский подсчитал всё для Стандартной модели: 4 скалярных поля, 45 фермионов и 12 бозонов. Итог — 995,5 степеней свободы. «Почему природа выбрала именно такие числа? — удивляется физик. — Понятия не имею». Тонг добавляет, что эти расчёты лишь показывают, насколько сложна и непонятна квантовая теория поля. Так что окончательного ответа на вопрос, сколько же частиц на свете, у науки пока нет.