Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Начиная с 1950-х годов Мюррей Гелл-Манн стал искать порядок среди элементарных частиц и, как и Менделеев до него, обнаружил закономерности и предсказал новые частицы. Гелл-Манн и Джордж Цвейг — оба из Калифорнийского технологического института — в 1964 году независимо друг от друга предположили, что протон и нейтрон состоят из трех кварков. Вообще-то вначале на кварки смотрели как на удобный математический прием для проведения вычислений в сложной физике элементарных частиц. Идея кварков не получила широкого одобрения, поскольку сами кварки не были найдены.

Казалось бы, заметить кварки было несложно, ведь они обладают дробным электрическим зарядом. Самые важные кварки — это верхний кварк (up quark) с электрическим зарядом +2/3 и нижний кварк (down quark) с зарядом -1/3 (как обычно, заряд электрона в этих единицах равен -1). Но в пузырьковой камере не видно никаких дробных зарядов: все частицы имеют либо заряд электрона, либо кратный ему заряд. Тем не менее твердые ядра внутри протона и нейтрона хорошо согласуются с теорией кварков; похоже, что по крайней мере там кварки существуют. Сейчас считается, что кварки прочно связаны в ядерных частицах. В отличие от других частиц, кварки не могут существовать по отдельности: им требуется один или два партнера.

В модели кварков барион состоит из трех кварков. Так, протон сложен из двух верхних кварков и одного нижнего кварка, а нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка. Мезон же состоит из двух кварков, один из которых является обычной частицей, а второй — античастицей. Например, нейтральный пион — это комбинация верхнего кварка со своим антикварком, а положительный пион состоит из верхнего кварка и нижнего антикварка (рис. 18.7). В исходной кварковой модели был и третий кварк, названный странным кварком (strange quark). Он был нужен для объяснения так называемых странных частиц.

Рис. 18.7. Протон (слева) состоит из двух верхних кварков (u) и одного нижнего кварка (d). Справа показан пион (π-мезон), состоящий из верхнего кварка и нижнего антикварка.

До начала 1970-х годов было достаточно трех видов кварков для объяснения всех известных адронов. Затем группа Бартона Рихтера из Стенфордского университета и группа Самюэля Тинга из Брукхейвенской национальной лаборатории открыли новую частицу, которая не укладывалась в систему Гелл-Манна и Цвейга. Рихтер назвал ее ψ («пси»), а Тинг — J («джей»). Даже если частица J/ψ («джей-пси») является мезоном, ее масса примерно втрое превышает массу протона. Чтобы понять это, потребовалось ввести новый кварк, названный очарованным кварком (charm quark). Таким образом, J/ψ состоит из очарованного кварка и очарованного антикварка. Реальность очарованного кварка вскоре была подтверждена: обнаружились и другие частицы, в состав которых входит очарованный кварк.

Всего лишь через два года пришлось ввести еще один кварк, прелестный кварк (bottom quark). Группа под руководством Леона Ледермана из лаборатории им. Ферми близ Чикаго нашла частицу, названную и (ипсилон), масса которой в десять раз превышает массу протона. Это массивный мезон, комбинация двух кварков — прелестного кварка и прелестного антикварка. Последним кварком — хотелось бы в это верить! — стал истинный кварк (top quark), открытый в 1995 году в лаборатории им. Ферми. Таким образом, полное число кварков равно шести, как и число лептонов (или 12, если считать античастицы). Три из них — верхний, очарованный и истинный — имеют электрический заряд +2/3, а остальные три — нижний, странный и прелестный — обладают зарядом —1/3.

Удивительно, что из всех базовых частиц только четыре необходимы как строительные блоки для обычного вещества: из лептонов — только электрон и электронное нейтрино, а из кварков — только верхний и нижний. Остальные элементарные частицы, похоже, лишние. Эти четыре важнейшие частицы называются частицами первого поколения; остальные восемь от носят ко второму и третьему поколениям. Мы не знаем, почему природа копирует себя еще двумя поколениями частиц большей массы (врезка 18.1).

Обычное вещество состоит из частиц поколения I: электрона, электронного нейтрино, верхнего и нижнего кварков. Массы (в массах электрона) указаны в скобках. Массы кварков сомнительны, массы нейтрино практически неизвестны. Заметим, что верхний и нижний кварки гораздо легче протона и нейтрона, которые из них состоят. Большая часть массы ядерных частиц обусловлена связью кварков друг с другом.

Что такое эта уже упомянутая слабая сила, действующая на нейтрино? В 1960 году Стивен Вайнберг из Гарвардского университета и Абдус Салам (1926–1996) из Имперского колледжа в Лондоне независимо предложили теорию, согласно которой слабая сила и электромагнитная сила являются двумя сторонами одного явления, получившего название электрослабое взаимодействие. Когда-то Максвелл доказал, что электрические и магнитные явления — это две стороны единого электромагнитного взаимодействия; а теперь в эту компанию попала и слабая ядерная сила.

Из теории Вайнберга-Салама следовал важный прогноз: слабую силу должны переносить сверхтяжелые частицы («W» и «Z» конце 1970-х годов в ЦЕРНе физики под руководством Карло Руббиа и Симона ван дер Меера начали работу по повышению энергии столкновения пучков настолько, чтобы могли родиться эти частицы. В январе 1983 года появились первые свидетельства о частице W, а через несколько месяцев была найдена и Z-частица.

W заряжена либо отрицательно, либо положительно и весит как 88 протонов, а частица Z нейтральна и немного тяжелее — ее масса примерно как у 99 протонов. Если вестник слабой силы имеет такую большую массу, то неудивительно, что сама эта сила такая слабая. Действие силы вызвано метаниями частиц-вестников туда-сюда. Тяжелая частица не может отлетать далеко, и она не может метаться слишком часто. Поэтому вероятность того, что проходящая мимо частица может столкнуться с одной из таких частиц-вестников — W или Z, очень мала, а значит, сила слаба.

На первый взгляд может показаться, что с добавлением к нашему списку еще трех более тяжелых частиц все только усложняется. Но оказалось, что это обеспечивает объединение электромагнитной и слабой сил, отчего существенно упрощается вся физическая картина. Мы видим, что электрослабая сила переносится четырьмя разными частицами: фотоном, положительным W, отрицательным W и Z. Поскольку у фотона нет массы, ее влияние простирается на огромные расстояния; остальные три «фотона» распространяют свою силу на очень короткое расстояние. Откуда эти «фотоны» берут свою массу, пока не ясно. Теория Питера Хиггса предсказывает существование «частиц Хиггса», которые пока не найдены (это одна из задач Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе). Именно они должны «давать взаймы» свою массу фотонам слабого взаимодействия.