Николай Горькавый - Неоткрытые миры

Вторая группа элементарных частиц, самая загадочная — кварки. Это те самые внутренние уплотнения, найденные в протоне.

— Найденные в результате жестокого обращения с элементарными частицами, — отметила Галатея.

— В свободном состоянии никто кварки не наблюдал, они могут существовать только связанными друг с другом.

— Какая дружба! — снова не удержалась от комментария Галатея.

— Как и лептонов, кварков тоже шесть плюс столько же антикварков. Шесть кварков называют так: «нижний», «верхний», «прелестный», «очарованный», «странный» и «истинный». Самый лёгкий — «верхний кварк», всего лишь в несколько раз превосходит электрон по массе, зато самый тяжёлый — «истинный кварк» — в сотни тысяч раз тяжелее электрона.

— «Истинный» и «очарованный»! — восхищённо повторила Галатея, — Я уверена, что состою только из самых прелестных кварков!

— Соединения кварков называются адронами. Адронов очень много, но самые известные из них — протон и нейтрон, каждый из которых состоит из трёх кварков. Мезоны — это тоже адроны, возникшие при соединении двух кварков, но могут существовать адроны из четырёх и пяти кварков. Если принять заряд электрона за единицу, то все кварки имеют электрические заряды 1/3 и 2/3, только разного знака. Так как в природе не наблюдается элементарных частиц с таким дробным зарядом, то кварки должны соединяться таким образом, чтобы итоговая частица имела целый заряд (как у электрона) или была нейтральна.

— Какая избирательная у них дружба… — задумалась Галатея. — Значит, два кварка с электрическим зарядом в 2/3 никогда не смогут соединиться? Как это грустно! Вдруг они нравятся друг другу?

— В многочисленных столкновениях частиц в ускорителях рождается множество новых частичек, и некоторые из них являются просто возбуждённым состоянием какого-нибудь адрона, например протона. Но какие бы экзотические частицы не возникали, электрический заряд всегда сохраняется: суммарный заряд множества частиц, возникших при соударении, точно равен заряду частиц, которые столкнулись. Это правило называется законом сохранения электрического заряда. Кроме электрического заряда, кварки имеют такую характеристику, как «цвет» — «красный», «зелёный» и «синий», — и тоже подчиняются своеобразным законам сохранения: например, протоны и нейтроны — это бесцветные частицы, которые должны быть образованы кварками трёх разных цветов, которые в сумме дают белый цвет.

— Неправильно, я наверняка состою из цветных протонов, — хмыкнула Галатея.

— Очень интересным классом элементарных частиц оказались кванты поля. Один из них — фотон, отвечающий за электромагнитные взаимодействия, хорошо изучен. Но во Вселенной известно четыре фундаментальных взаимодействия. Учёные очень давно пытались объединить их. Например, Эйнштейн всю вторую половину своей жизни стремился слить гравитацию и электромагнитные взаимодействия в рамках единой теории, но ему это не удалось. А ведь он ещё не трогал ядерные и слабые взаимодействия! Современные физики пошли иным путём, отставив в сторону гравитацию и пытаясь объединить три других взаимодействия. Этот путь оказался успешнее: в 1967 году Стивену Вайнбергу, Шелдону Глэшоу и Абдус Саламу удалось объединить электрические и слабые взаимодействия. Эта теория получила общее признание, когда все элементарные частицы, предсказанные ею, были открыты. В 1973 году в единую теорию были включены сильные взаимодействия. Эта единая теория трёх фундаментальных взаимодействий и стала основой Стандартной теории, согласно которой переносчиками слабого взаимодействия стали бозоны трёх типов, а за сильное взаимодействие стали отвечать глюоны — восемь нейтральных частиц, не имеющих массы, что сближает их с фотонами.

— Значит, можно создать глюонный фонарик? — спросила Галатея.

Дзинтара задумалась:

— Ну, кварк-глюонные струи удается получить, но вот насчёт фонарика — не знаю…

— Итак, — сказал Андрей, — у нас есть следующее число «атомов» Демокрита: двенадцать лептонов, двенадцать кварков и двенадцать квантов?

— Нет, добавь сюда ещё и бозон Хиггса, тяжёлую частицу, которая играет важную роль в образовании частиц, в частности отвечает за появление массы у бозонов. Хиггс придумал поле, которое действует на бозоны, как вода на плавающие на ней пушинки одуванчика: без воды невесомые пушинки беззаботно летят в любом направлении, а при взаимодействии с водой становятся медленными, инертными. А бозон Хиггса — это волна на поверхности поля Хиггса. Его масса была вычислена из сложных уравнений, и именно такая частица была найдена в 2012 году при экспериментах на Большом Адронном Коллайдере. Это стало завершающим штрихом в подтверждении Стандартной теории. Она доказала, что в мире существует Квантовая Лестница, которая описывает три уровня энергии: атомный, ядерный и кварковый.

— Что это за лестница? — полюбопытствовала Галатея.

— Вы знаете про квантовые уровни в атоме — они дают разный цвет фотонам, вылетающим из атома, и связаны с перестройкой его электронных оболочек.

Внутри ядра атома тоже есть своя структура квантовых уровней, которые экспериментаторы изучают по дискретной энергии вылетающих из ядра электронов при ядерных превращениях.

Оказалось, что в таких элементарных частицах, как протоны и нейтроны, тоже существуют квантовые уровни, которые видны по энергиям вылетающих оттуда мезонов.

— Ух ты, действительно, лестница, идущая внутрь вещества, — поняла Галатея.

— Давно было известно, что химические связи между атомами и молекулами оказываются остаточным явлением от электромагнитного взаимодействия электронов и атомного ядра. Сейчас стало понятно, что ядерные силы между нуклонами ядра, связанные с обменом пимезонами, являются слабым отголоском могучих сил, которые удерживают кварки внутри каждого нуклона и не дают им вылетать наружу.

— Ой, какая сложная сказка получается! — пожаловалась Галатея. — А ведь обещали историю про самые простые частицы нашего мира.

— Да, но никто не обещал, что это будет простая история. И в ней ещё масса нерешённых проблем. Насколько полна Стандартная теория? Да, она не включает в себя гравитационное взаимодействие. Но недостаток ли это? Есть ли у гравитационного взаимодействия свой квант — гравитон? Неизвестно. Многие уверены, что есть. Так же был уверен и Менделеев, который оставлял в своей таблице место для элемента эфира — среды, в которой распространяется свет. Как потом выяснилось, никакого эфира нет, а электромагнитные волны прекрасно распространяются в вакууме. Есть и другое мнение — что гравитационное поле — особенное. Оно не квантовое, но создается коллективным действием обычных квантовых полей.