Фрэнк Вильчек - Красота физики. Постигая устройство природы

Второй компонент был открыт Джеймсом Чедвиком в 1932 г. Нейтрон – это электрически нейтральная частица лишь чуть-чуть тяжелее протона. Его открытие дало нам простое, но полезное представление о том, что такое атомные ядра: они являются совокупностью протонов и нейтронов, связанных друг с другом. С таким представлением многие наблюдаемые факты встали на свои места. Например, ядра разных химических элементов различаются только числом протонов, которые они содержат, поскольку это число определяет электрический заряд ядра, от которого зависит его взаимодействие с окружающими атом электронами, последние же в свою очередь обуславливают его химию. Разное количество протонов в ядре дает атомы различных химических элементов. С нейтронами в качестве второго игрока мы решаем загадку изотопов. Атомы, содержащие изотопические ядра, имеют одинаковые химические свойства, но различаются по массе. Их ядра содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Таким образом, простая модель атомного ядра, состоящего из протонов и нейтронов, объясняла одновременно разнообразие химических элементов и существование изотопов.

Считалось, что следующим шагом будет выяснить, какие силы действуют между протонами и нейтронами и удерживают их вместе. Как мы уже говорили, нужны были новые силы, поскольку электромагнитное взаимодействие стремится разорвать ядра на части, а гравитационное столь слабо, что им можно пренебречь.

Однако эксперименты по исследованию ядерных сил вскоре пошли неожиданными путями. Практически все они следовали стратегии первоначального эксперимента Гейгера – Марсдена. Чтобы исследовать, скажем, взаимодействие между протонами, пучком протонов стреляли по другим протонам (по водородной мишени) и следили за тем, что из этого получается. Наблюдая отклонения на разные углы, можно попытаться сделать выводы об ответственной за это силе. Использование пучков с протонами различных энергий и с протонами, вращающимися в разных направлениях, улучшает анализ. Эксперименты такого типа вскоре показали, что силы, действующие между протонами и нейтронами, не подчиняются простому уравнению. Они зависят не только от расстояния, но и от скорости и спина, причем сложным образом.

Если смотреть глубже, эксперименты вскоре похоронили надежду – надежду нашего Вопроса – на то, что протоны и нейтроны являются простыми частицами и что какая-нибудь красивая «сила», в традиционном понимании этого слова, могла бы объяснить то, что на самом деле происходит при их взаимодействии. Потому что, когда протоны сталкивались с другими протонами, результатом обычно являлось не просто отклонение двух сталкивающихся частиц. Вместо этого появлялся целый поток частиц!

В сущности, эксперименты, направленные на открытие простой силы, вместо этого обнаружили новый и неожиданный мир частиц. Мезоны p, ρ, K , η, ρ, ω, K *, ϕ и барионы Λ, ∑, Ξ, ∆, Ω, ∑*, Ξ*, Ω являются самыми легкими и самыми доступными из них. (Существуют десятки других.) Эти частицы, все без исключения, очень нестабильны и живут не больше микросекунды (а в большинстве случаев гораздо меньше). Выводы об их существовании и свойствах должны быть сделаны на основе изучения продуктов их распада в детекторах на ускорителях высоких энергий, таких как ускорители в Брукхейвенской национальной лаборатории, в Фермилабе и в CERN. Эти новые частицы все вместе называются адронами .

Так же как классификация бабочек или палеонтологическая история лошадей, состав адронного «зверинца» и характеристики его обитателей – массы, спины, времена жизни, варианты распадов – завораживают истинных ценителей. Однако, чтобы продвинуться в нашем поиске красоты к основам, мы должны перейти к более общим вопросам. Для дальнейшего использования позвольте мне кратко резюмировать два наиболее важных урока, которые можно извлечь из этого «зверинца».

Адроны состоят из двух царств – барионов и мезонов [71] 14 июля 2015 г. коллаборация LHCb Большого адронного коллайдера в CERN заявила об открытии пентакварка, т. е. частицы, состоящей из пяти кварков. Пентакварки не являются ни мезонами, ни барионами. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters за 12 августа 2015 г. На момент подписания книги в печать другие эксперименты на БАК не предоставили ни подтверждения, ни опровержения этого открытия. – Прим. пер. . Протоны и нейтроны являются прототипом барионов. Все барионы обладают несколькими общими свойствами. Все они испытывают на малых дистанциях сильное взаимодействие в присутствии друг друга либо в присутствии мезонов, и (для экспертов) все они являются фермионами. Мезоны также обладают общими свойствами. Все они испытывают на малых дистанциях сильное взаимодействие в присутствии друг друга либо в присутствии барионов, и (для экспертов) все они являются бозонами.

Протоны и нейтроны не являются ни простыми, ни фундаментальными. Представить себе атомное ядро состоящим из протонов и нейтронов было полезным шагом, но эти частицы не являются простыми или фундаментальными – их взаимодействия сложны, и они являются лишь двумя членами гораздо более широкого семейства похожих частиц. Чтобы посмотреть на них с правильной перспективы и завершить анализ материи, нужен новый и более широкий взгляд.

Кварковая модель была придумана Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом и стала блестящей демонстрацией силы воображения и распознавания образов.

Согласно кварковой модели, барионы – это связанные состояния трех более фундаментальных сущностей – трех видов, или «ароматов», кварков: верхнего u , нижнего d и странного s . (Пока этого достаточно, и я отложу рассмотрение гораздо более тяжелых, крайне нестабильных кварков c, b, t на потом.)

Но как всего три аромата кварков – u, d, s – порождают сотни различных барионов? Дело в том, что некая заданная тройка кварков, скажем, u, u, d , может существовать во многих различных состояниях движения, аналогичных дискретным боровским орбитам электронов в атомах или стационарным состояниям на илл. 26 в главе «Квантовая красота I». Эти дискретно различные состояния имеют различные энергии и, следовательно, – если применить формулу m = E/c ² – разные массы. Поэтому, с точки зрения экспериментатора, они кажутся разными частицами! Таким образом, мы обнаруживаем, что множество разных частиц отражает одну и ту же материальную структуру, лежащую в их основе и зафиксированную в различных состояниях внутреннего движения.

Сходным образом кварковая модель постулирует, что мезоны – это связанные состояния одного кварка и одного антикварка. Каждая пара кварк-антикварк, скажем, в различных состояниях движения образует множество различных мезонов.