Предсказание существования кварков: Мюррей Гелл-Манн, Джордж Цвейг, Юваль Нееман

Сначала ученый мир признал, что существуют мельчайшие неделимые частицы вещества, которые назвали атомами. Потом стало известно, что атом, в свою очередь, может быть поделен на структурные единицы: электроны, протоны, ядра. Однажды В. И. Ленин пафосно заявил: «Электрон так же неисчерпаем, как атом, природа бесконечна». И почти сразу же, по меркам историческим, стало ясно, что тут он не совсем прав. Электрон точно так же, как нейтрино и кварк, считается элементарной или фундаментальной частицей.

Но в некогда неделимом атоме различают и другие элементарные частицы, так называемые «составные» – протоны и нейтроны. Кроме того, признано, что огромное множество адронов – элементарных частиц, имеющих внутреннюю структуру (их известно более 350, включая античастицы), – состоят из двух или трех кварков.

Кварки (их шесть) участвуют во всех видах фундаментальных взаимодействий и наряду с лептонами и переносчиками этих взаимодействий образуют самый глубинный слой материи. Современная Стандартная модель теории элементарных частиц немыслима без кварков.

За экспериментальное подтверждение кварковой структуры адронов в 1990 году Дж. Фридману, Г. Кендаллу, Р. Тейлору присуждена Нобелевская премия. В то же время теоретикам – Мюррею Гелл-Манну и Ювалю Нееману, а также Джорджу Цвейгу, которые независимо друг от друга эту модель сформулировали, – премия присуждена не была. Вне признания Нобелевского комитета по физике оказалось одно из самых выдающихся теоретических открытий ХХ века, заслуживающее войти в десятку наивысших достижений не только физической науки.

В 1961 году Гелл-Манн и израильский физик Юваль Нееман (который тогда работал в Лондонском университете в Англии), каждый самостоятельно, нашли способ расположения адронов в соответствии с их свойствами (массой, зарядом и т. д.) в виде модели, которую Гелл-Манн назвал «восьмеричным путем»: частицы в ней объединялись в октеты. Этот метод напоминает принцип, в соответствии с которым еще в 1860-х годах Дмитрий Менделеев объединил химические элементы в систему. Таблица химических элементов Менделеева работала при условии наличия в ней нескольких пробелов, соответствовавших еще неоткрытым элементам. «Восьмеричный путь» тоже мог быть составлен только при наличии в некоторых октетах пробелов, соответствующих еще не открытым частицам. И точно так же, как и в случае с периодической таблицей, обнаруженные впоследствии частицы проявили свойства, позволившие поместить их именно в те места, которые до той поры оставались пустыми. За эту и еще одну работу по классификации элементарных частиц в 1969 году Гелл-Манн получил Нобелевскую премию по физике, но вот что удивительно – Нобелевский комитет почему-то никак не отметил Неемана.

Порядок химических элементов в периодической таблице объясняется, конечно же, неделимостью атомов. Свойства же атомов определяются количеством и природой частиц, из которых они образованы: электронов, протонов и нейтронов. Поэтому совершенно естественно было предположить, что порядок в классификации «восьмеричного пути» объясняется тем, что адроны тоже представляют собой сочетания нескольких действительно элементарных частиц. Однако физики настолько привыкли считать протоны и нейтроны неделимыми, что прошло немало времени, прежде чем в их умах смогла прижиться мысль о том, что «неделимые» вполне могут оказаться сложными.

Великий вклад в физику Ричарда Фейнмана заключается именно в том, что он допустил подобное. Однако Фейнман вступил на эту стезю не первым, в начале 1960-х он заканчивал свою работу по гравитации и все больше времени тратил на лекции для студентов.

Первые шаги к представлению о сложной структуре адронов сделали в 1962 году Нееман (который тогда работал в Израильском комитете по атомной энергии) и его коллега Хаим Гольдберг-Офир. Они написали статью о том, что, возможно, каждый барион состоит из трех еще более фундаментальных частиц, и отправили ее в журнал Il Nuovo Cimento, где она едва не была потеряна, но потом найдена и в январе 1963 года опубликована. Статья не привлекла к себе особого внимания, частично потому, что сам «восьмеричный путь» еще не стал общепринятым, а частично потому, что, как признал сам Нееман, «она оказалась достаточно поверхностной. Авторы проработали теорию с математической точки зрения, начав с восьмеричного пути, но так и не решили, считать ли элементарные составляющие реальными частицами или абстрактными полями, которые не материализуются в частицы».

Таких проблем не было у другого ученого – Джорджа Цвейга, аспиранта Калифорнийского технологического института. Цвейг родился в 1937 году в Москве, но еще ребенком переехал в Соединенные Штаты и в 1959 году получил степень бакалавра по математике в Мичиганском университете. Свою карьеру ученого он начал в Калтехе, выбрав профилирующей областью исследований экспериментальную физику частиц, но, промучившись три года с одним не поддающимся проведению экспериментом на ускорителе, решил, что эксперименты не для него, и перешел в теоретическую физику, попав под номинальное руководство Ричарда Фейнмана, но в действительности в основном работал самостоятельно.

Цвейг был покорен красотой и простотой «восьмеричного пути» и быстро понял, что модель, образованную октетами, можно было бы объяснить, если бы мезоны и барионы состояли из пар и триплетов элементарных объектов, которые он назвал «тузами». С самого начала Цвейг считал их реальными частицами, а не абстрактными полями, и его ничуть не смущало, что для действия подобной схемы каждый из его «тузов» должен был иметь заряд, составляющий только долю заряда электрона: 2/3 или 1/3, если заряд электрона принять за 1.

Хотя Цвейг и описал свои идеи в научных работах, они вызвали такую яростную критику, что в первоначальном виде его статьи так и не были опубликованы. В 1963 году во время короткого пребывания в ЦЕРНе Цвейг подготовил две статьи, которые передавались из рук в руки в виде «препринтов». Позже он вспоминал:

«Опубликовать отчет о работе в ЦЕРНе в желаемом мной виде было настолько сложно, что я в конце концов оставил все попытки. Когда физический факультет ведущего университета рассматривал возможность принять меня на работу, один из самых уважаемых представителей теоретической физики не позволил сделать это, заявив на общем собрании преподавателей факультета, что “модель тузов” – это работа шарлатана».

Более того, вскоре работа Цвейга оказалась в тени труда Гелл-Манна, который совершенно независимо развивал ту же идею в Калтехе. Однако Гелл-Манн вел себя куда более осторожно и прокладывал тропинку посередине между уверенностью Цвейга в реальности «тузов» и отказом Неемана и Гольдберга-Офира от «фундаментальных составляющих» как от «абстрактных полей». Как и Цвейг, Гелл-Манн дал своим элементарным объектам имя, назвав их «кварками», и при этом, в отличие от израильтян, был совершенно уверен в их реальности. В статье, опубликованной в 1964 году в Physics Letters, Гелл-Манн писал:

«Забавно думать о том, как повели бы себя кварки, будь они физическими частицами с конечной массой (а не чисто математическими объектами, коими они являлись бы в пределе бесконечной массы)… поиск стабильных кварков с зарядом –1/3 или +2/3 и/или стабильных дикварков с зарядом –2/3, +1/3 или +4/3 на ускорителях, создающих максимально высокую энергию, помог бы нам окончательно убедиться в несуществовании реальных кварков!»

Это был поразительно непрямой путь введения в физику великой новой идеи – и о его выборе Гелл-Манн будет жалеть всю жизнь. Можно лишь сожалеть о том, что Цвейг находился не в Калтехе, когда развивал свою «теорию тузов». Окажись он в Пасадене, ему, быть может, представился бы шанс обсудить эту идею с Фейнманом, а руководство Калтеха почти наверняка настояло бы на совместной публикации с Гелл-Манном, как в том случае, когда Фейнман с Гелл-Манном были вынуждены заключить плодотворный, хоть и недолгий союз, работая над теорией слабого взаимодействия. Совместная работа Гелл-Манна и Цвейга, менее осторожная, чем статья Гелл-Манна, но не вызывающая пренебрежения, которое породили публикации Цвейга, и к тому же одобренная Фейнманом, вполне могла бы вызвать гораздо больший интерес в 1964 году, чем это удалось каждому из них в отдельности.

В действительности же прошло немало времени, прежде чем физики убедились, что внутри адронов что-то происходит, и назвали эти частицы именем, которое придумал все-таки Гелл-Манн, а не Цвейг. Гелл-Манн вспоминал, что выбрал такое название просто как бессмысленное слово, пришедшее ему на ум, и только позже осознал его связь с отрывком из книги Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где говорится о «трех кварках для мистера Марка». Гелл-Манн рассказывал, что несколько раз перечитывал «Поминки по Финнегану», поэтому подобная ассоциация вполне могла запечатлеться в его подсознании.

Надо сказать, что большинство ученых считало кварковую модель безумием. Даже Гелл-Манн был уверен в ней лишь наполовину, а единственный человек, который прикладывал все силы, чтобы протолкнуть ее, в результате своих усилий испортил себе все перспективы дальнейшей карьеры. Гелл-Манн продолжал развивать свою идею (с меньшими ограничениями), но, поскольку эксперименты, проводящиеся на ускорителях высоких энергий, так и не выявили никаких свидетельств существования свободных частиц с дробным зарядом, многим физикам крайне сложно было поверить в реальность кварков.

К тому моменту карьера Гелл-Манна как мыслителя подходила к концу. Он родился в 1929 году, выполнил свою лучшую работу примерно между 1954 и 1964 гг. (в возрасте между 25 и 35 годами), в 1967 году был назначен профессором теоретической физики фонда Р. А. Милликена в Калтехе, а в 1969 году получил Нобелевскую премию, после чего успокоился, превратившись в старого мудрого представителя научного сообщества: после сорока лет он уже ничего особенного в науку не внес.

Физики чрезвычайно слабо верили в кварковую модель – в 1969 году, когда Гелл-Манну присудили Нобелевскую премию, в списке его заслуг упоминание об этой модели вообще отсутствовало. Упоминалась лишь его ранняя работа по классификации элементарных частиц и их взаимодействий, то есть премию он получил за «восьмеричный путь» и теорию слабых взаимодействий.

Итак, Нобелевскую премию за предсказание существования кварков так никто и не получил, несмотря на то, что Джером Фридман, Генри Кендалл и Ричард Тейлор разделили премию 1990 года за экспериментальное подтверждение существования кварков! Сам Ричард Фейнман номинировал Гелл-Манна и Цвейга. То же делали и другие физики в 1990-е годы. У Нобелевского комитета еще есть время исправить свою оплошность, но вот воспользуется ли он этой возможностью?