Виктор де Касто - PRO Антиматерию

Кварки участвуют в различных взаимодействиях, среди которых можно назвать электромагнитные, гравитационные, сильные и слабые. Сильные взаимодействия могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут повлиять на аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не способен удалиться на какое-либо существенное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде, как было сказано выше. Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков, они называются адронами.

Естественно возникает вопрос: а почему ученые уверены в существовании кварков, если в свободном виде их увидеть нельзя? Не будем нагружать вас многочисленными подтверждениями, которые приводились до появления мощных ускорителей частиц. Но теперь они есть, и их энергии постоянно повышаются, поэтому стало возможным попытаться выбить отдельный кварк из адрона при высокоэнергетическом столкновении. Кварковая теория давала четкие предсказания, как должны выглядеть результаты таких столкновений – в виде струй. Такие струи действительно наблюдаются в экспериментах. А если бы протон ни из чего не состоял, то струй бы не было. Также эксперименты подтвердили, что, например, для протона скорость получается точно такая, какая теоретически ожидалась для объекта, состоящего из трех кварков. А при столкновениях протонов с высокими энергиями экспериментально наблюдается аннигиляция кварка одного протона с антикварком другого протона с образованием пары мюон—антимюон. Также можно сказать, что гипотеза кварков и все, что из нее вытекает относительно строения адронов, способна объяснить имеющиеся экспериментальные данные. Попытки обойтись без кварков наталкиваются на трудности с описанием всех тех многочисленных экспериментов, которые очень естественно описывались в кварковой модели.

Однако до сих пор не найдены ответы на ряд вопросов. Почему существует три поколения кварков? Почему существует три цвета? Почему такой разброс в массах и из чего состоят сами кварки? Некоторые ученые считают, что кварки состоят из чего-то более простого. Рабочее название для гипотетических частиц—составляющих кварков уже придумано: преоны. С точки зрения данных экспериментов, до сих пор никаких подозрений на неточечную структуру кварков не возникало. Однако попытки построить такие теории делаются независимо от экспериментов.

Кварки плотно прикрепляются друг к другу, по три (в случае барионов, мезоны состоят из кварка и антикварка), и таким образом получаются протоны, нейтроны и другие многочисленные частицы. Два типа ядерных частиц, протоны и нейтроны, сами состоят из двух типов кварков, верхнего и нижнего, которые мы упоминали выше при рассказе о поколениях кварков. У этих зерен материи есть электрические заряды, величины которых являются лишь частями заряда протона. У протона положительный заряд, а, например, заряд верхнего кварка – 2/3 положительный, заряд нижнего кварка – 1/3 отрицательный. Два верхних кварка и один нижний кварк составляют протон (2/3 + 2/3 – 1/3 = 1). Два нижних кварка и один верхний дают нулевой заряд (2/3 – 1/3 – 1/3 = 0), а это и есть нейтрон.

Существуют комбинации трех верхних кварков и трех нижних, эти частицы имеют короткий срок жизни, они называются «дельта». Добавим к паре верхний и нижний кварк третий тип кварка, который называется «странный» (это второе поколение, как мы упоминали выше), с тем же электрическим зарядом, что и нижний кварк (-1/3). Он по сути идентичен последнему во всем, кроме массы (примерно на 20 % тяжелее) – и вы получаете странную частицу. Чем больше странных кварков в тройке, тем более странной получается частица. В протоне и нейтроне нет странных кварков. В более тяжелых и немного странных частицах под названиями «лямбда» и «сигма» есть по одному странному кварку. Более странная частица кси содержит два странных кварка, а самая странная из всех – омега – состоит из трех странных кварков.

Уравнение Дирака относится к кваркам точно так же, как к электронам и протонам, и при этом имеется тот же намек на антиматерию. Позитрон – это зеркальная античастица по отношению к электрону, и точно так же антикварк – это зеркальное отражение кварка, у него та же масса, тот же размер и тот же электрический заряд, что и у кварка, только знак этого электрического заряда меняется на противоположный. Таким же образом антиверхний кварк (вы можете называть его «верхний антикварк», если вам так больше нравится, или «антиверхний антикварк», поскольку общепринятого названия не существует) имеет заряд -2/3 вместо +2/3, а у антинижнего кварка заряд +1/3 вместо -1/3. Точно так же, как два верхних и один нижний составляют положительный протон, два антиверхних и один антинижний составляют отрицательный антипротон. И так же два антинижних и один антиверхний составляют антинейтрон. У всех странных частиц под греческими названиями, например, лямбда, сигма, кси и омега, имеется какой-то «анти»-двойник. Замените любой из типов кварков на соответствующий антикварк, и вы получите антилямбду, антисигму и т. д. Их получали во время экспериментов, когда свободная энергия при столкновении луча протонов, выходящего из ускорителя, и цель в лаборатории давали новые частицы и античастицы. Каждая из полученных частиц, похоже, имеет своего двойника, идеальное зеркальное отражение – это нечто типа инь и ян.

Что происходит, когда кварк встречается с антикварком? Мощная сила, удерживающая кварки и антикварки по три, также может притянуть и единичный кварк к антикварку. Многие частицы, которые встречаются в космических лучах и ускорителях, например пионы и странные каоны, – это крошечные пучки кварка и антикварка. Такая комбинация не является ни материей, ни антиматерией, но содержит образцы каждой, кварк материи и антикварк антиматерии. Если кварк и антикварк заключены в миниатюрной вселенной, которая простирается только на одну тысячную часть миллиардной части метра, они практически мгновенно встретятся и уничтожат друг друга. Поэтому пион и каон живут только очень короткое время.

Эксперименты показали, что случается, когда протон встречается с антипротоном. Иногда они просто плывут друг к другу, иногда на скорости врезаются друг в друга, и конечный продукт варьируется. Чем больше скорость, на которой происходит столкновение, тем больше их энергия, тем больше пионов или гамма-лучей создается при взрыве. В процессе экспериментов ученые узнали, чего ожидать, если кто-то с успехом создаст источник энергии на основе антиматерии, или бомбу, или если в нашу атмосферу прилетит антикамень из космоса. Мы уже поняли достаточно, чтобы предсказать возможные результаты.