Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Именно по такому пути Джордж Цвейг (родился в 1937 г. в Москве) и Мюррей Гелл-Манн сумели в 1963–1964 гг. оптимизировать составную модель частиц: они нашли, независимо, простейший вариант основных частиц, кварков, из которых можно составить все остальные. Однако при этом им пришлось предположить совершенно, казалось бы, невероятные, противоречащие всему опыту физики параметры таких частиц: их электрические и барионные заряды должны были бы составлять, соответственно, одну или две трети от заряда электрона и по одной трети барионного заряда протона. (Напомним, что заряд электрона всегда считался наименьшим возможным, равно как и барионный заряд нуклона.)

Цвейг назвал эти придуманные частицы тузами, а Гелл-Манн — кварками и этим задал работу интерпретаторам: обычно принимается, что это слово, несколько искаженное, он заимствовал из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где официант почему-то выкрикивает: «Три кварка, три кварка для сэра Марка!».

Попробуем пояснить, как они могли конструировать эту модель. Хотя во многих моделях гипероны составлялись из трех частиц (двух барионов и одного антибариона, общая формула ВВВ), они приняли, что каждый барион (и нуклон, и гиперон) состоит из трех кварков, обозначаемых буквой q , поэтому барионный заряд каждого кварка равен одной трети обычного, и все барионы составлены по общей формуле В = qqq , а все антибарионы — из трех антикварков. Все мезоны состоят из кварка и антикварка, поэтому их общая формула имеет вид М = ͞ qq . Ясно также, что все кварки должны иметь спин равный ½, т. е. быть фермионами.

Теперь нужно посмотреть, сколько, по минимуму, нужно типов кварков для конструирования всех барионов, и каковы необходимые для этого странность и электрические заряды. Поскольку барионный заряд составляет одну треть наблюдаемого, то естественно начать с такого же деления и электрического заряда, тогда элементарный перебор всех возможностей показывает, что достаточно ввести три кварка: u -кварк с зарядом в две трети элементарного заряда ( 2/ 3 е ), d -кварк с зарядом минус одна треть (- 1/ 3 е ), оба с нулевой странностью, и s -кварк с зарядом - 1/ 3 е , но со странностью -1. (Обозначения соответствуют первым буквам английских слов up, down, strange — верхний, нижний, странный.)

В этой теории известные частицы представимы так: протон р = uud, нейтрон п = udd, лямбда-гиперон Λ = uds, пион π += ͞ du, каон К+ = ͞ sи и так далее вплоть до Ω -= sss. И естественно, что резононы могут теперь рассматриваться как возбужденные состояния системы кварков. Именно эти кварки играют роль партонов в составе частиц: они были обнаружены, как упоминалось выше, в экспериментах Дж. И. Фридмана, Г. У. Кендалла и Р. Е. Тэйлора — идейно этот эксперимент напоминает опыт Резерфорда, в котором была определена структура атома, только измерялось рассеяние электронов — их структура известна, и поэтому их можно использовать для выявления структуры других частиц.

Казалось бы, все хорошо, но, помимо проблем наблюдения, сразу же возникает противоречие: согласно принципу запрета Паули, никакие два фермиона не могут, имея одинаковыми все квантовые числа, находиться точно в одинаковом положении, а в этих моделях одинаковые кварки занимают одно и то же положение (в резононе Δ ++, который был открыт еще Ферми в рассеянии π +-мезона на протоне и имеет двойной заряд и спин 3/ 2, оказалось три u -кварка в одинаковом состоянии!). Эту проблему пришлось разрешать привычным образом — вводить новое квантовое число: поскольку в частице не более трех кварков, то это число может принимать три значения, и его назвали «цвет» — Н. Н. Боголюбов, А. Н. Тавхелидзе и др. (по аналогии с синтезом любого видимого цвета из трех составляющих: красного, зеленого, синего). Таким образом, например, омега-минус-гиперон нужно писать как Ω -= s к s з s с— все кварки различны и поэтому могут иметь остальные квантовые числа одинаковыми. Наблюдаемые частицы должны быть бесцветными, т. е. барионы должны содержать кварки всех трех цветов, а мезоны — по кварку и антикварку одинакового цвета. После этого законы взаимодействия между «цветными» кварками были, естественно, названы квантовой хромодинамикой (о ней — в следующем разделе).

Но довольно скоро выяснилось, что тремя кварками ограничиться нельзя.

В ноябре 1974 г. двумя группами экспериментаторов под руководством Бартона Рихтера (р. 1931) и Сэмуэля С. С. Ткнга (р. 1936) при исследовании аннигиляции позитронов и электронов из встречных пучков коллайдера были обнаружены очень узкие и поэтому необычно долго живущие резонансы. Эти группы обнаружили их одновременно и дали им разные названия, они так и обозначаются двумя значками как J/ψ или J/пси, а само открытие долго называли «Ноябрьской революцией» — оно отмечено Нобелевской премией 1976 г.

Открытие вызвало поток гипотез и множество теорий. Для объяснения причин, которые мешают им распадаться с нормальной для частиц такой массы скоростью, пришлось ввести еще одно квантовое число, помимо странности, и соответствующий кварк, названный очарованным (обозначается как с — от английского charm, в русском языке превалирует французское произношение: шарм). Этот кварк имеет электрический заряд в 2/ 3 е , как у u -кварка, но у него добавочно есть квантовое число с = +1. Частица J /ψ является связанным состоянием с-кварка и его антикварка со спином 1. Такое состояние может распасться только на три глюона, причем с большими энергиями — поэтому-то этот распад происходит медленно, а эти глюоны уже с обычной скоростью превращаются в кварк-антикварковые пары и т. д. Потом были обнаружены и барионы, в состав которых входит и очарованный (шармированный) кварк.

Ну а позже пришлось ввести еще два кварка: b -кварк (красивый, от английского beauty) в 1977 г. и t -кварк (верхний или истинный от top или truth ) в 1994 г. — каждому из них соответствуют свои квантовые числа. Все эти новые квантовые числа уже как-то неудобно называть «зарядами», и поэтому для них ввели новый термин: «ароматы» ( u-d или обычный, s, с, b, t).

Для исследований свойств кварков очень важны структуры кварк-антикварк, их называют кваркониями: можно рассматривать разные уровни энергии в этих образованиях в зависимости от их полного момента — это ведь некоторый аналог системы уровней Бора в атомах. А время их жизни и продукты аннигиляции кварка и антикварка — важнейший источник сведений о них.

Мы не выписывали величины масс кварков, они оцениваются пока что с очень большой неопределенностью: масса u -кварка в 2-10 раз больше массы электрона, d -кварк вдвое тяжелее, масса s -кварка в интервале 8-16 % массы протона, с -кварк несколько тяжелее протона, b -кварк в 4 раза тяжелее, а вот t -кварк может иметь колоссальную массу, чуть ли не порядка массы атома урана!