Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Группировка элементарных частиц согласно восьмеричному методу

Однако оставалась ещё одна проблема – почему этот метод сработал? Видимо, должна существовать какая-то более глубокая структура частиц, лежащая в основе восьмеричного метода. Когда Гелл-Манн занялся этой проблемой в начале 60-х годов, он не 197 знал, что в Европе над ней работал другой физик – Георг Цвейг. Они независимо друг от друга обнаружили, что обоснованием восьмеричного метода может служить наличие внутри адронов других, ещё более элементарных частиц. Цвейг назвал их тузами, но прижилось имя, данное им Гелл-Манном – кварки (он взял это слово из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где есть такая фраза: «Три кварка для мастера Марка»).

Мюррей Гелл-Манн (родился в 1929 году)

Согласно теории Гелл-Манна имеются кварки трёх типов («ароматов»), которые называют u -, d -, s -кварки. Каждый из них имеет спин 1/2, а вот заряд, как ни странно, равен не целому заряду электрона, а одной или двум его третям. Так же как частицам соответствуют античастицы, каждому кварку соответствует антикварк. Все барионы состоят из трёх кварков; например, протон содержит два u -кварка и один d -кварк, а нейтрон – два d -кварка и один u -кварк. Мезоны же состоят из кварков и антикварков; например, ?-мезон состоит из одного u -кварка и одного d -кварка.

u u d pd d u nu d ? +

Теория была превосходна; она полностью объясняла восьмеричный метод и предсказывала строение всех известных частиц. Третий кварк, s -кварк, использовался только для описания структуры странных частиц, а обычные частицы содержали лишь u - и d -кварки. Однако, несмотря на все успехи, оставался ряд трудностей. Одна из основных проблем заключалась в том, что кваркам приписывался спин 1/2, следовательно, они должны были подчиняться так называемой статистике Ферми-Дирака. Согласно этой статистике одинаковое энергетическое состояние могут иметь только две частицы с противоположно направленными спинами. Однако ? --частица согласно теории должна была содержать три s -кварка, находящихся в одном и том же энергетическом состоянии.

Эту трудность удалось преодолеть в 1964 году, когда О. Гринберг выдвинул предположение о том, что каждый из трёх ароматов кварков подразделяется на три разновидности. Сейчас их называют цветом, хотя они не имеют ничего общего с обычным цветом. Цвет – аналог заряда или нечто подобное заряду

Квантовая электродинамика

электрон, заряд, фотон,

Квантовая хромодинамика

кварк, цвет, глюон,

После детальной проработки предложения Гринберга учёным удалось преодолеть не только трудности, связанные со статистикой, но и ряд других. В новом варианте теории барионы по-прежнему состоят из кварков трёх различных ароматов, но теперь каждый из кварков имеет свой цвет; т.е. кварки обладают как зарядом, так и цветом. Существенно, однако, что три цвета в сумме должны давать белый, поскольку частицы не окрашены. Мезоны также по-прежнему состоят из кварка и антикварка, но таких, которые в сумме дают белый цвет. Подобно тому как заряды противоположных знаков дают в итоге нейтральную частицу, цвет и антицвет дают неокрашенную частицу (три цвета тоже могут взаимно нейтрализовывать друг друга).

Вскоре было обнаружено, что цвет важнее аромата. Фундаментальным триплетом является не аромат, а цвет (позже мы увидим, что аромат нельзя считать триплетом). Благодаря этому результату удалось сделать существенный шаг вперёд – создать локальную калибровочную теорию, а во всякой такой теории, как известно, должна быть частица-переносчик. Эту новую частицу назвали глюоном (от английского слова «glue» – «клей», эти частицы как бы склеивают нуклоны и не дают им распасться). Глюоны также окрашены, имеют равный единице спин и, подобно фотонам, лишены массы; правда, в отличие от единственного фотона, они подразделяются на восемь различных типов. Другим отличием является то, что благодаря цвету глюоны взаимодействуют между собой, а не имеющие заряда фотоны не взаимодействуют друг с другом.

Подобно тому как мы изображали электрон окружённым виртуальным облаком, кварки можно представлять себе окутанными облаками виртуальных глюонов. Однако при этом есть отличие – предполагается, что кварки заключены в «мешки». Протон, например, можно рассматривать как мешок, содержащий два u - и один d -кварк. Каждый из кварков в мешке окружён своим собственным облаком. Протон-протонное взаимодействие можно представить как сближение двух мешков с кварками, которые на достаточно малом расстоянии начинают обмениваться глюонами.

Здесь читатель вправе указать на возникающее затруднение: раньше мы говорили, что сильное взаимодействие вызывается обменом мезонами, при чём же тут глюоны? Сейчас принято считать, что частицами-переносчиками служат глюоны, хотя выглядит всё так, как если бы взаимодействовали мезоны. На ум приходит аналогия с взаимодействием молекул – принято говорить о ковалентных силах, действующих между атомами, хотя на самом деле это электромагнитные силы. Одной из проблем теории является запирание («конфайнмент») кварков и глюонов. Почему, несмотря на многочисленные попытки, так и не удалось ни разу наблюдать свободный кварк или глюон? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вернуться к введённой ранее модели кваркового мешка. Предположим, что мы пытаемся вытащить из мешка один из кварков. При этом, согласно теории, образуется цепочка глюонов, так называемая струна, с мезоном на конце. Чем сильнее тянуть кварк, тем сильнее он будет сопротивляться вытаскиванию из мешка. При электромагнитном взаимодействии всё обстоит наоборот – чем меньше расстояние между заряженными частицами, тем больше действующая на них сила, ослабевающая по мере разъединения частиц. В случае глюонов, по мере увеличения длины струны сила возрастает. (Именно такое явление наблюдалось в упоминавшихся ранее экспериментах на Станфордском ускорителе – учёные обнаружили, что точечный заряд как будто заперт внутри протона, и чем сильнее сдвигали заряд, тем больше была сила связи.)

А что будет, если струну всё-таки удастся разорвать? Согласно теории, в месте разрыва появятся кварк и антикварк, т.е. оторванный кусочек струны будет состоять из кварка и антикварка (соединённых глюонами), которые, как известно, в сумме дают мезон. Другими словами, при попытке вытащить из протона кварк получается мезон, который, естественно, и наблюдается на опыте. При бомбардировке протонов достаточно энергетичными частицами образуются мезоны.