Глава 13. «Три кварка для мистера Марка»

Стандартная модель останавливается на уровне кварков в детализации строения материи, из которой состоит наша Вселенная; кварки – самое фундаментальное и элементарное в ее структуре. Однако некоторые физики-теоретики полагают, что «луковицу можно лущить и дальше», но это уже чисто умозрительные построения. По моему личному мнению, стандартная модель правильно описывает строение вещества, и хотя бы в этом направлении наука дошла до логического завершения процесса познания.

Д. Трефил.

200 законов мироздания

В тридцатых годах прошлого века все чаще стали возникать умозрительные схемы сложного и даже сверхсложного строения атомарных структур. Особенно эти настроения усилились после открытия в 1932 году британским физиком Джеймсом Чедвиком (1891-1974) следующей элементарной составляющей атомного ядра – микрочастицы нейтрона. Получая Нобелевскую премию 1935 года «За открытие нейтрона», сэр Чедвик удовлетворенно отметил, что «судя по всему, картина атомного мира начинает упорядочиваться». Микромир казался относительно простым и рационально состоящим из трех элементарных частиц – электронов, вращающихся вокруг протонно-нейтронного ядра. Однако эйфория длилась недолго, и вскоре из разных лабораторий и исследовательских центров стали множиться сообщения о все новых и новых элементарных компонентах совсем уже не элементарного микромира. Некоторые частицы, подобные неуловимому нейтрино, вначале открывали «на кончике пера» теоретики, анализируя результаты различных реакций столкновения уже известных компонентов. Большинство же непрерывно обнаруживалось опытным путем, и уже скоро пришлось менять сам смысл первоначального термина «элементарная частица», как нечто абсолютно элементарного. В конце пятидесятых годов прошлого века стало окончательно ясно, что сотни новых микрочастиц с похожими свойствами должны обладать какой-то внутренней «субэлементарной» структурой, вовсе не являясь по-настоящему элементарными.

Так постепенно сформировалась гипотеза, что «элементарные» частицы в свою очередь построены из очень специфических микрообъектов. Вооружившись соображениями симметрии, законами сохранения и новейшей математикой, физики-теоретики принялись раскладывать «пасьянсы» из элементарных частиц, тасуя, перекладывая их и так и этак. Обнаружилось: многие частицы могут быть сгруппированы в семейства, близкие по своим основным свойствам.

К примеру, если учитывать лишь главные характеристики – спины, барионные заряды, близость массы, внутреннюю четность, – закрывая глаза на некоторые различия, то 8 частиц: протон, нейтрон и гипероны Л°, Z+, Z°, Z-, E°, Е~ могут быть объединены в одно семейство барионов (октет) со спином 1 / 2 и положительной четностью. Подобные группы частиц получили название супермультиплетов.

Нашлась и довольно абстрактная математика, «узаконившая» подобную классификацию: раздел теории групп, известный под названием группы Ли, созданная норвежским математиком позапрошлого века.

Математика допускала существование разных наборов частиц: из одной, трех, шести, восьми, десяти и т. д. Физики же наблюдали лишь синглеты (одна частица), октеты (восьмерки) и дециметы (десятки). Эту прихоть природы надо было объяснить.

Одним из первых здесь достиг значительного успеха Марри Гелл-Ман. В 1961 году этот американский теоретик разделил все известные к тому времени частицы на несколько семейств по восемь членов, назвав свою систему «восьмеричным путем». В этом названии иронично обыгрывался аналогичный термин из буддизма, означающий восемь ступеней погружения в нирвану. Вскоре систематика Гелл-Мана была подтверждена экспериментально открытием предсказанной ранее неизвестной частицы – омега-минус-гипериона.

И вот в 1963 году одновременно и независимо, находясь даже на разных континентах, один в Америке, другой в Европе, Гелл-Ман и Цвейг высказали гипотезу о существовании трех фундаментальных субъядерных частиц, различными комбинациями которых и является большинство элементарных частиц.

Прежде чем дать имя своему творению, Гелл-Ман, как большой почитатель романа Д. Джойса «Поминки по Финнегану», припомнил место, где дублинский трактирщик возомнил себя персонажем средневековой легенды – королем Марком.

Королю кажется, что его племянник Тристан украл у него жену, прекрасную Изольду. Марк преследует похитителя на корабле. В небе над парусами кружат то ли чайки, то ли крылатые судьи, которые зловеще кричат-каркают – «три кварка для мистера Марка». Короля мучают кошмары, а чайки все чаще повторяют – «три кварка, три кварка, три кварка»…

Собственно говоря, здесь слово «кварк» можно понимать всего лишь как подражание крика морских птиц. Еще одна версия связывает это необычное слово с немецким «чепуха».

Цвейг в своем выборе терминологии оказался гораздо менее удачлив. Он предложил называть гипотетические субчастицы, претендующие на роль истинных кирпичиков праматерии, тузами. Эта карточная терминология оказалась не столь привлекательна, поскольку тузов в карточной колоде четыре, а кварков в первоначальной модели было три вида.

В 1969 году Гелл-Ман получил Нобелевскую премию по физике «За открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий». Надо отметить, что еще в 1959 году выдающийся советский кристаллофизик Иван Степанович Желудев (1921-1996), исходя из принципов сохранения и симметрии предложил систематизацию элементарных частиц, в основных чертах предвосхитившую модели Гелл-Мана и Цвейга.

Сегодня, согласно теории, предсказывается существование шести разновидностей кварков, и в лабораториях уже открыты элементарные частицы, содержащие все шесть типов. Самые распространенные кварки – верхний, или протонный (обозначается u – от английского up или p – proton), и нижний, или нейтронный (обозначается d – от down или n – от neutron), поскольку именно из них состоят единственные по-настоящему долгоживущие адроны – протон (uud) и нейтрон (udd). Следующий дублет включает странные s (strange) и очарованные кварки с (charmed). Наконец, последний дублет состоит из красивых и истинных кварков – b (от beauty или botom) и t (от truth или top). Каждый из шести кварков, помимо электрического заряда, характеризуется изотопическим (условно направленным) спином. Наконец, каждый из кварков может принимать три значения квантового числа, которое называется его цветом (color) и обладает ароматом (favor). Конечно же, кварки не пахнут и не имеют цвета в традиционном понимании, просто такое название сложилось исторически для обозначения их определенных свойств.

Новые кварковые обитатели микромира оказались весьма странными сущностями, не только обладающими дробным электрическим зарядом, но и принципиально невидимыми по одиночке, поскольку их природа запрещает им пребывать в свободном, не связанном друг с другом состоянии. Поэтому о самом факте их связанного «внутричастичного» существования можно судить только по специфическим сторонам поведения самих элементарных частиц, в состав которых они входят.

Кварковая спецификация

В силу еще не выясненных досконально причин кварки неким естественным образом группируются в три так называемые поколения. В каждом поколении один кварк обладает зарядом +2 / 3, а другой –1 / 3. Подразделяясь на поколения, кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. Сильные взаимодействия, состоящие в обмене глюонами, могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но меняют аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какое-либо заметное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде. Представьте, что у вас в руках длинный эластичный шнур, каждый конец которого представляет собой кварк. Если приложить к такой системе достаточно энергии – растянуть и порвать шнур, то он порвется где-то посередине, и свободного конца вы не получите, а получите два резиновых шнура покороче, и у каждого из них опять окажется два конца. То же и с кварками: какими бы энергиями мы ни воздействовали на элементарные частицы, стремясь «выбить» из них кварки, нам этого не удастся – частицы будут распадаться на другие частицы, сливаться, перестраиваться, но свободных кварков мы не получим.

Десять лет спустя Гелл-Ман независимо от других ученых предположил существование глюонов – частиц с нулевой массой, которые осуществляют взаимодействие между кварками.

Так была построена «Стандартная модель частиц», которая в обобщенном виде представляет собой теорию строения Вселенной. В ней материя состоит из кварков и лептонов, а сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия между ними описываются теориями великого объединения. Такая модель, очевидно, не полна, поскольку не включает гравитацию. Предположительно, более полная теория со временем все-таки будет разработана, а на сегодня Стандартная модель – лучшее из того, что может предложить квантовая физика элементарных частиц и сил.

Последние теоретические исследования квантов выявили, что при определенных температурах и сверхвысоких плотностях ядерного вещества оно может перейти в совершенно новое состояние – кварк-глюонную плазму. Это поистине удивительное состояние материи, где нет ни отдельных ядерных частиц, ни многокварковых объединений, которые физики называют «мешками». Получается поистине фантастический образ некоего гигантского кваркового мешка, наполненного возбужденным кварковым морем. Сегодня поисками кварковой плазмы занимаются во многих лабораториях, обладающих достаточно мощными ускорителями тяжелых ионов. Главная идея подобных опытов состоит в том, что при столкновении тяжелых ионов, включающих множество ядерных частиц нуклонов, образуется громадное количество осколочных мезонов – составных частиц, состоящих из четного числа кварков и антикварков, которые и могут перейти при соответствующих условиях в плазменное состояние.

Любопытно, что кварк-глюонная плазма может существовать в природе, организуясь в очень плотных астрономических объектах – кварковых звездах и, вероятно, реализуясь во «вселенскую» среду на некотором этапе Большого взрыва.

Впервые гипотезу о таких поразительных макроквантовых объектах высказал еще в 1965 году замечательный советский теоретик Дмитрий Дмитриевич Иваненко (1904-1994), который писал:

Как известно, при сжатии звезды после образования вырожденного электронного газа происходит вдавливание» электронов в протоны, развал ядер и переход к нейтронной звезде… Естественно предполагать, что выгодным окажется переход к еще более тяжелым барионным резононам и, наконец, гипотетическим субчастицам – кваркам и т. д.