Кваркам — полвека

В про­шлом году Питер Хиггс и Фран­с­уа Энглер полу­чи­ли Нобе­лев­скую пре­мию по физи­ке за тео­ре­ти­че­ские иссле­до­ва­ния, «спо­соб­ству­ю­щие пони­ма­нию при­ро­ды мас­сы суб­атом­ных частиц». Эти рабо­ты (Энгле­ра – вме­сте с покой­ным Робер­том Бро­у­том) были опуб­ли­ко­ва­ны 50 лет назад и еще дол­го оста­ва­лись прак­ти­че­ски неза­ме­чен­ны­ми. В том же 1964 году двое дру­гих физи­ков высту­пи­ли с фун­да­мен­таль­ной тео­ри­ей нисколь­ко не мень­шей зна­чи­мо­сти. Она тоже пона­ча­лу не при­влек­ла осо­бо­го вни­ма­ния, но впо­след­ствии ста­ла осно­вой совре­мен­ных пред­став­ле­ний о струк­ту­ре адро­нов – частиц, участ­ву­ю­щих в силь­ных ядер­ных вза­и­мо­дей­стви­ях. Это была тео­рия квар­ков.

Загад­ки стран­ных частиц

После Вто­рой Миро­вой вой­ны мир суб­атом­ных частиц выгля­дел до смеш­но­го про­стым. Нук­ло­ны (про­то­ны и ней­тро­ны) и элек­тро­ны вхо­ди­ли в состав ато­мов, а пред­ска­зан­ные в 1935 году и откры­тые спу­стя две­на­дцать лет пио­ны (как их тогда назы­ва­ли, пи-мезо­ны) отве­ча­ли за при­тя­же­ние нук­ло­нов в атом­ных ядрах. Пред­ска­зан­ные еще до пио­нов, но еще не излов­лен­ные в экс­пе­ри­мен­те ней­три­но ока­за­лись столь нуж­ны­ми для объ­яс­не­ния бета-рас­па­дов атом­ных ядер, что их суще­ство­ва­ние не вызы­ва­ло сомне­ний. Каж­дой части­це пола­га­лась анти­ча­сти­ца, и неко­то­рые из них были уже обна­ру­же­ны. Не при деле оста­ва­лись лишь мюоны,тяжелые ана­ло­ги элек­тро­нов, кото­рые воз­ни­ка­ли при рас­па­дах заря­жен­ных пио­нов и пре­вра­ща­лись в ней­три­но и элек­тро­ны либо пози­тро­ны. Физи­ки не очень пони­ма­ли, поче­му бы пио­нам не рож­дать эти части­цы без про­ме­жу­точ­ной инстан­ции в лице мюо­нов.

Эта про­стая и чет­кая модель суб­атом­но­го мира не надол­го пере­жи­ла откры­тие пио­нов. Нача­ло ее кра­ху поло­жи­ла ста­тья ман­че­стер­ских физи­ков Джор­джа Роче­сте­ра и Клиф­фор­да Бат­ле­ра, опуб­ли­ко­ван­ная в 1947 году в жур­на­ле Nature. Они изу­ча­ли кос­ми­че­ские лучи с помо­щью каме­ры Виль­со­на, и на одной из фото­гра­фий заме­ти­ли пару тре­ков с общим нача­лом. Посколь­ку в маг­нит­ном поле эти тре­ки рас­хо­ди­лись как латин­ское V, они при­над­ле­жа­ли заря­жен­ным части­цам раз­ных зна­ков (поз­же выяс­ни­лось, что это были пио­ны). Роче­стер и Бат­лер пред­по­ло­жи­ли, что необыч­ные тре­ки – след рас­па­да неиз­вест­ной части­цы с нуле­вым заря­дом, не оста­вив­шей сле­да в виль­со­нов­ской каме­ре. Рас­че­ты пока­за­ли, что ее мас­са состав­ля­ет око­ло 500 МэВ, что в тыся­чу раз боль­ше мас­сы элек­тро­на. Не мудр­ствуя лука­во, пер­во­от­кры­ва­те­ли нарек­ли ее про­сто V-части­цей.

Это было толь­ко нача­ло. В 1949 году Сесил Пау­элл и его кол­ле­ги из Бри­столь­ско­го уни­вер­си­те­та, тоже изу­чав­шие кос­ми­че­ские лучи,обнаружили на фото­эмуль­сии след заря­жен­ной части­цы такой же мас­сы, дав­шей нача­ло не двум, а трем пио­нам. Позд­нее выяс­ни­лось, что и она, и V-части­ца Роче­сте­ра и Бат­ле­ра – это раз­лич­ные пред­ста­ви­те­ли семей­ства из четы­рех частиц, назван­ных К-мезо­на­ми, или као­на­ми. Два заря­жен­ных као­на име­ют мас­су 494 МэВ, а два ней­траль­ных – 498 МэВ. Инте­рес­но, что Роче­стер с Бат­ле­ром в 1947 году наблю­да­ли ред­кий рас­пад поло­жи­тель­но­го као­на на поло­жи­тель­ный и ней­траль­ный пио­ны, но не смог­ли его интер­пре­ти­ро­вать. Более того, самое пер­вое наблю­де­ние собы­тия с уча­сти­ем као­на име­ло место в 1943 году, одна­ко инфор­ма­ция о нем появи­лась в печа­ти лишь после вой­ны.

Даль­ше – боль­ше. В 1950 и 1951 годах сотруд­ни­ки Мель­бурн­ско­го и Ман­че­стер­ско­го уни­вер­си­те­тов сооб­щи­ли об откры­тии в кос­ми­че­ских лучах части­цы тяже­лее про­то­на и ней­тро­на. Она тоже не име­ла элек­три­че­ско­го заря­да и рас­па­да­лась на про­тон и отри­ца­тель­ный пион, кото­рые опять-таки рас­хо­ди­лись по V-образ­ным тре­кам. Для ее назва­ния задей­ство­ва­ли гре­че­скую бук­ву Λ (лямб­да).

Новые части­цы выгля­де­ли таин­ствен­ны­ми. Они воз­ни­ка­ли в про­цес­сах силь­ных ядер­ных вза­и­мо­дей­ствий и рас­па­да­лись на силь­но вза­и­мо­дей­ству­ю­щие части­цы уже извест­ных типов. Это ста­ло совер­шен­но ясно, когда в 1953 году в Брук­хей­вен­ской наци­о­наль­ной лабо­ра­то­рии зара­бо­тал пер­вый в мире уско­ри­тель-мил­ли­ард­ник Кос­мот­рон, кото­рый поз­во­лил в изоби­лии полу­чать и као­ны, и Λ-части­цы. Одна­ко вре­мя их жиз­ни состав­ля­ло 1010-1013 с, а тогдаш­няя тео­рия огра­ни­чи­ва­ла его 10-23 с. Более того, они появ­ля­лись толь­ко пара­ми и нико­гда пооди­ноч­ке. Для объ­яс­не­ния этой загад­ки аме­ри­кан­ский физик-тео­ре­тик Мар­ри Гелл-Манн и япон­цы Тадео Нака­но и Казу­хи­ко Ниши­джи­ма в том же 1953 году пред­ло­жи­ли при­пи­сать этим части­цам новое кван­то­вое чис­ло, кото­рое Гелл-Манн назвал стран­но­стью. По опре­де­ле­нию, стран­ность «преж­них» адро­нов, то есть про­то­нов, ней­тро­нов и пио­нов, рав­на нулю.

Рас­смот­рим эту схе­му на при­ме­ре воз­ник­но­ве­ния ней­траль­но­го као­на и Λ-части­цы при столк­но­ве­нии про­то­на и отри­ца­тель­но­го пио­на. Сум­ма стран­но­стей исход­ных частиц рав­на нулю, такой же она долж­на быть у частиц-потомков.Так будет,если при­пи­сать као­ну стран­ность плюс один,а Λ-части­це – минус один. Ана­ло­гич­но интер­пре­ти­ру­ют и про­чие подоб­ные реак­ции.

Стандартная модель элементарных частиц, сведенная в таблицу по аналогии с периодической системой химических элементов ("Википедия")

Стан­дарт­ная модель эле­мен­тар­ных частиц, све­ден­ная в таб­ли­цу по ана­ло­гии с пери­о­ди­че­ской систе­мой хими­че­ских эле­мен­тов («Вики­пе­дия»)

Поря­док в бес­по­ряд­ке?

В 1929 году были извест­ны лишь элек­трон, про­тон и фотон. К 1959 году чис­ло откры­тых суб­атом­ных частиц достиг­ло трид­ца­ти (вме­сте с их анти­ча­сти­ца­ми). «Будь я в состо­я­нии запом­нить все их име­на, – заме­тил как-то вели­кий Энри­ко Фер­ми,- стал бы не физи­ком, а бота­ни­ком». Такое изоби­лие нуж­да­лось в систе­ма­ти­за­ции, за кото­рой дело не ста­ло. Элек­трон, мюон и ней­три­но вме­сте со сво­и­ми анти­ча­сти­ца­ми отнес­ли к кате­го­рии леп­то­нов (от гре­че­ско­го λεπτός – лег­кий), адро­ны же раз­де­ли­ли на два клас­са. Про­тон, ней­трон и все части­цы боль­шей мас­сы назва­ли бари­о­на­ми (βαρύς – тяже­лый). Тер­ми­ны леп­тон и бари­он при­ду­мал аме­ри­кан­ский физик-тео­ре­тик Абра­хам Пайс в 1953 году. Сло­во мезон (μέσος — сред­ний) суще­ство­ва­ло и рань­ше, в эту кате­го­рию вошли пио­ны и као­ны – адро­ны с мас­сой мень­шей, чем у про­то­на. Фотон остал­ся сам по себе, един­ствен­ным пред­ста­ви­те­лем сво­е­го клас­са. Трид­цат­ка частиц кон­ца 1950-х как раз и состо­я­ла из фото­на, шести леп­то­нов, семи мезо­нов и шест­на­дца­ти бари­о­нов.

Закон сохра­не­ния стран­но­сти дей­ству­ет в силь­ных и элек­тро­маг­нит­ных вза­и­мо­дей­стви­ях, одна­ко нару­ша­ет­ся в про­цес­сах с уча­сти­ем сла­бых вза­и­мо­дей­ствий. Этим он отли­ча­ет­ся от зако­нов сохра­не­ния обще­го коли­че­ства бари­о­нов (бари­он­но­го чис­ла), коли­че­ства леп­то­нов (леп­тон­но­го чис­ла) и элек­три­че­ско­го заря­да, кото­рые стро­го соблю­да­ют­ся во всех извест­ных про­цес­сах. Этим объ­яс­ня­ет­ся ано­маль­ное дол­го­ле­тие стран­ных частиц. Ска­жем, Λ-части­ца может рас­пасть­ся на про­тон и отри­ца­тель­ный пион или на ней­трон и ней­траль­ный пион – с оче­вид­ным несо­хра­не­ни­ем стран­но­сти. Это про­ис­хо­дит пото­му, что про­цес­сом рас­па­да управ­ля­ет сла­бое вза­и­мо­дей­ствие, кото­рое и поз­во­ля­ет лямб­де жить доль­ше. В 1950-е годы были откры­ты еще две груп­пы стран­ных частиц тяже­лее про­то­на. Это три сиг­ма-части­цы, Σ+, Σ- и Σ0, с мас­са­ми поряд­ка 1190 МэВ и две части­цы (отри­ца­тель­но заря­жен­ная и ней­траль­ная) с мас­сой око­ло 1320 МэВ, обо­зна­ча­е­мых гре­че­ской бук­вой Ξ (кси). Ана­лиз их рас­па­дов пока­зал, что чле­нам три­пле­та Σ-частиц надо при­пи­сать стран­ность минус 1, а каж­дой из частиц Ξ-дуб­ле­та – минус два. Тогда же было пока­за­но, хотя и не вполне досто­вер­но, что все стран­ные части­цы тяже­лее про­то­на обла­да­ют поло­вин­ным спи­ном, то есть явля­ют­ся фер­ми­о­на­ми.

В 1956 году Сёи­ти Сака­та и его кол­ле­ги из Нагой­ско­го уни­вер­си­те­та опуб­ли­ко­ва­ли первую струк­тур­ную модель адро­нов, вклю­чав­шую стран­ные части­цы. Они пред­ло­жи­ли счи­тать истин­но эле­мен­тар­ны­ми лишь про­тон, ней­трон и лямб­ду, а все про­чие части­цы – их ком­би­на­ци­я­ми. Так, отри­ца­тель­ный каон полу­чал­ся как объ­еди­не­ние лямб­ды и анти­про­то­на. Одна­ко выбор базис­ных частиц в этой схе­ме выгля­дел уж очень искус­ствен­ным, и к нача­лу 1960-х она уте­ря­ла свою при­вле­ка­тель­ность. В эти годы в каче­стве аль­тер­на­ти­вы ста­ла раз­ви­вать­ся тео­рия зашну­ров­ки (bootstrap), кото­рая утвер­жда­ла, что все адро­ны сло­же­ны друг из дру­га (есте­ствен­но, в кван­то­вом смыс­ле). Эта кон­цеп­ция «ядер­ной демо­кра­тии», как ее тогда назы­ва­ли, вооб­ще не нуж­да­лась ни в каких эле­мен­тар­ных кирпичиках.Теперь она поза­бы­та, хотя пол­ве­ка назад поль­зо­ва­лась нема­лым успе­хом.

Вось­ме­рич­ный путь

Кон­чи­на моде­ли Сака­ты сов­па­ла по вре­ме­ни с появ­ле­ни­ем прин­ци­пи­аль­но ново­го под­хо­да к систе­ма­ти­за­ции адро­нов. Его отца­ми-осно­ва­те­ля­ми ста­ли Гелл-Манн и рабо­тав­ший в Англии изра­иль­тя­нин Ювал Неэ­ман, в 35 лет про­ме­няв­ший карье­ру воен­но­го и дипло­ма­та на тео­ре­ти­че­скую физи­ку. Они исхо­ди­ли из того, что сово­куп­ность откры­тых в экс­пе­ри­мен­те мезо­нов и бари­о­нов оче­вид­ным обра­зом рас­па­да­ет­ся на несколь­ко групп род­ствен­ных частиц – муль­ти­пле­тов. Тако­вы три пио­на, две пары као­нов, пара нук­ло­нов, лямбда,три сиг­мы и две кси-части­цы. Чле­ны каж­до­го муль­ти­пле­та обла­да­ют близ­ки­ми мас­са­ми и оди­на­ко­вой стран­но­стью, но раз­ны­ми элек­три­че­ски­ми заря­да­ми. Посколь­ку силь­ные ядер­ные вза­и­мо­дей­ствия вооб­ще не зави­сят от элек­три­че­ских сил, для них части­цы одно­го и того же муль­ти­пле­та выгля­дят близ­не­ца­ми.

Американский физик-теоретик Марри Гелл-Манн (родился в 1929), лауреат Нобелевской премии по физике в 1969 год «за открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий» ("Википедия")

Аме­ри­кан­ский физик-тео­ре­тик Мар­ри Гелл-Манн (родил­ся в 1929), лау­ре­ат Нобе­лев­ской пре­мии по физи­ке в 1969 год «за откры­тия, свя­зан­ные с клас­си­фи­ка­ци­ей эле­мен­тар­ных частиц и их вза­и­мо­дей­ствий» («Вики­пе­дия»)

Гелл-Манн и Неэ­ман пред­по­ло­жи­ли, что за воз­ник­но­ве­ние муль­ти­пле­тов отве­ча­ет некая глу­бин­ная сим­мет­рия зако­нов при­ро­ды, и им уда­лось ее най­ти. Она ока­за­лась обоб­ще­ни­ем сим­мет­рии непре­рыв­ной груп­пы SU(2), кото­рой поль­зо­ва­лись для опи­са­ния спи­но­вых кван­то­вых чисел. Одна­ко все 23 извест­ных к тому вре­ме­ни адро­на име­ют спин 0, 12 или 1, поэто­му упо­ря­до­чить их на этой осно­ве невоз­мож­но. Гелл-Манн и Неэ­ман реши­ли вос­поль­зо­вать­ся для клас­си­фи­ка­ции адро­нов не одним, а дву­мя кван­то­вы­ми числами,для чего сим­мет­рию при­шлось рас­ши­рить. В резуль­та­те они при­шли к груп­пе сим­мет­рии SU(3), кото­рую еще в нача­ле века изу­чил фран­цуз­ский мате­ма­тик Эли Кар­тан.

Гелл-Манн исполь­зо­вал абстракт­ные кван­то­вые чис­ла – гипер­за­ряд и изо­то­пи­че­ский спин. С таким же успе­хом мож­но взять стран­ность и элек­три­че­ский заряд. В любом слу­чае полу­ча­ет­ся вось­мер­ка (октет) бари­о­нов (плюс восемь анти­ба­ри­о­нов), в кото­рую вхо­дят пара нук­ло­нов с нуле­вой стран­но­стью и заря­да­ми 0 и 1, пара кси-частиц со стран­но­стью минус 2 и заря­да­ми минус 1 и 0, и чет­вер­ка частиц со стран­но­стью минус-1 (ней­траль­ная лямб­да-части­ца и три сиг­мы с заря­да­ми минус 1, 0 и 1). Ана­ло­гич­ным обра­зом воз­ни­ка­ет и октет мезо­нов – с той лишь раз­ни­цей, что их стран­но­сти лежат в про­ме­жут­ке от еди­ни­цы до минус еди­ни­цы. Гелл-Манн назвал свою схе­му Вось­ме­рич­ным Путем – по ана­ло­гии с тем, что Буд­да ука­зал как доро­гу к нир­ване.

Юваль Неэман (1925-2006) - израильский государственный деятель и ученый (Американский физик-теоретик Марри Гелл-Манн (родился в 1929), лауреат Нобелевской премии по физике в 1969 год «за открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий» ("Википедия")

Юваль Неэ­ман (1925−2006) – изра­иль­ский госу­дар­ствен­ный дея­тель и уче­ный (Аме­ри­кан­ский физик-тео­ре­тик Мар­ри Гелл-Манн (родил­ся в 1929), лау­ре­ат Нобе­лев­ской пре­мии по физи­ке в 1969 год «за откры­тия, свя­зан­ные с клас­си­фи­ка­ци­ей эле­мен­тар­ных частиц и их вза­и­мо­дей­ствий» («Вики­пе­дия»)

Гелл-Манн и Неэ­ман опуб­ли­ко­ва­ли свои резуль­та­ты в 1961 году, когда чис­ло извест­ных мезо­нов не пре­вы­ша­ло семи. Одна­ко Гелл-Манн не побо­ял­ся пред­ска­зать суще­ство­ва­ние вось­мо­го мезо­на, сосе­да трой­ки пио­нов (ана­ло­гич­но лямб­де и три­пле­ту сиг­ма-частиц в бари­он­ном окте­те). В этом же году Луис Аль­ва­рец с кол­ле­га­ми экс­пе­ри­мен­таль­но дока­за­ли суще­ство­ва­ние этой части­цы и назва­ли ее эта-мезо­ном (обо­зна­ча­ет­ся гре­че­ской бук­вой η).

Сим­мет­рия SU(3) допус­ка­ет так­же суще­ство­ва­ние деся­ти бари­о­нов со спи­ном 32 – уже не окте­та, а декуп­ле­та. К лету 1962 года экс­пе­ри­мен­та­то­ры обна­ру­жи­ли девять таких частиц (их назы­ва­ют резо­нан­са­ми). Гелл-Манн и Неэ­ман пред­ска­за­ли и деся­тый резо­нанс с заря­дом минус 1, стран­но­стью минус 3 и мас­сой око­ло 1685 МэВ. Гелл-Манн выбрал для него имя Ω (оме­га-минус). 31 янва­ря 1964 года Нико­лас Самиос и его кол­ле­ги нашли сле­ды рас­па­да этой части­цы на одной из 50 тысяч фото­гра­фий, сде­лан­ных на новой пузырь­ко­вой каме­ре Брук­хей­вен­ской лабо­ра­то­рии. Ее мас­са почти сов­па­да­ла с рас­чет­ной – 1672 МэВ. Это ста­ло три­ум­фом систе­ма­ти­ки адро­нов, осно­ван­ной на Би(3)-симметрии.

Нако­нец-то квар­ки!

Откры­тие груп­пы Самиоса все­го на сут­ки опе­ре­ди­ло ста­тью Гелл-Ман­на «Схе­ма­ти­че­ская модель бари­о­нов и мезо­нов», где эта систе­ма­ти­ка была пред­став­ле­на в совер­шен­но новом свете.Там было показано,что SU(3)-симметрия допус­ка­ет суще­ство­ва­ние три­пле­та фер­ми­о­нов с дроб­ны­ми элек­три­че­ски­ми заря­да­ми 23, −1÷3 и −1÷3, один из кото­рых обла­да­ет нену­ле­вой стран­но­стью. Гелл-Манн назвал их квар­ка­ми и обо­зна­чил индек­са­ми u, d и s (сокра­ще­ния слов up, down и strange). В соот­вет­ствии с этой схе­мой каж­дый бари­он обра­зо­ван тре­мя квар­ка­ми, а мезон-квар­ком и анти­квар­ком.

Двух­стра­нич­ная ста­тья Гелл-Ман­на име­ет любо­пыт­ную предыс­то­рию. Гелл-Манн заду­мы­вал­ся о таких три­пле­тах и рань­ше, одна­ко ни с кем их не обсуж­дал. Допу­ще­ние частиц с дроб­ны­ми заря­да­ми выгля­де­ло абсо­лют­ной ахи­не­ей, и к тому же их нико­гда не наблю­да­ли в экс­пе­ри­мен­те. Одна­ко в кон­це мар­та 1963 года из раз­го­во­ра с нью-йорк­ским физи­ком-тео­ре­ти­ком Робер­том Сер­бе­ром Гелл-Манн узнал, что тот при­шел к сход­ным выво­дам. Эта бесе­да при­ве­ла Гелл-Ман­на к догад­ке, что необыч­ные фер­ми­о­ны мож­но рас­смат­ри­вать не как сво­бод­ные части­цы, а как состав­ные части адро­нов. В таком слу­чае их заря­ды скла­ды­ва­ют­ся или вычи­та­ют­ся, и в ито­ге полу­ча­ют­ся цело­чис­лен­ные зна­че­ния. Пона­ча­лу Гелл-Манн назвал эти части­цы квор­ка­ми и упо­мя­нул в лек­ции в MTI – впро­чем, толь­ко поверх­ност­но и без реак­ции со сто­ро­ны ауди­то­рии. До осе­ни его тер­за­ли сомне­ния, сто­ит ли выне­сти свою гипо­те­зу на пуб­ли­ку, но потом он решил­ся на пуб­ли­ка­цию ста­тьи. Вспом­нив «квар­ки» из рома­на Джейм­са Джой­са «Помин­ки по Фин­не­га­ну», он решил это сло­во поза­им­ство­вать. Любо­пыт­но, что ста­тью он отпра­вил в евро­пей­ский жур­нал Physics Letters, опа­са­ясь, что редак­то­ры более пре­стиж­но­го аме­ри­кан­ско­го изда­ния Physical Review Letters отка­жут­ся ее напе­ча­тать.

До ана­ло­гич­ной моде­ли одно­вре­мен­но доду­мал­ся пост­док из ЦЕР­На Джордж Цвейг, толь­ко что защи­тив­ший дис­сер­та­цию в Кал­те­хе, где его рабо­той сна­ча­ла руко­во­дил Гелл-Манн, а потом Ричард Фей­н­ман. Цвейг назвал фер­ми­о­ны с дроб­ны­ми заря­да­ми туза­ми. Он тоже рас­смат­ри­вал бари­о­ны как трой­ные ком­би­на­ции квар­ков, а мезо­ны – как кварк-анти­квар­ко­вые пары. Эта рабо­та появи­лась в печа­ти даже на пару недель рань­ше замет­ки Гелл-Ман­на, но лишь как цер­нов­ский пре­принт. С этих пуб­ли­ка­ций и нача­лось шествие квар­ко­вой моде­ли адро­нов по миру физи­че­ской нау­ки.

Взаимодействие между различными частицами в стандартной модели ("Википедия")

Вза­и­мо­дей­ствие меж­ду раз­лич­ны­ми части­ца­ми в стан­дарт­ной моде­ли
(«Вики­пе­дия»)

От недо­ве­рия к при­ня­тию

Это шествие не было быст­рым. Модель за нагляд­ность и кра­си­вое имя мгно­вен­но полю­би­ли жур­на­ли­сты и попу­ля­ри­за­то­ры, одна­ко физи­ки окон­ча­тель­но при­ня­ли ее толь­ко 12 лет спу­стя. На это были свои при­чи­ны. Модель в пер­во­на­чаль­ном виде про­ти­во­ре­чи­ла прин­ци­пу Пау­ли, кото­ро­му обя­за­ны под­чи­нять­ся все фер­ми­о­ны. Если про­тон состо­ит из двух u-квар­ков и одно­го d-квар­ка, то u-квар­ки долж­ны нахо­дить­ся в одном и том же кван­то­вом состо­я­нии, а это, соглас­но Пау­ли, невоз­мож­но. Эту про­бле­му со вре­ме­нем реши­ли, снаб­див квар­ки допол­ни­тель­ным кван­то­вым чис­лом – цве­том, кото­рое может при­ни­мать три зна­че­ния – крас­ный, синий, зеле­ный. Не было понят­но, как квар­ки вза­и­мо­дей­ству­ют друг с дру­гом и поче­му не пере­хо­дят из свя­зан­ных состо­я­ний в сво­бод­ные. Эти тай­ны раз­га­да­ли с помо­щью тео­рии калиб­ро­воч­ных полей, кото­рая офор­ми­лась в пер­вой поло­вине 1970-х годов и поз­во­ли­ла постро­ить Стан­дарт­ную модель физи­ки эле­мен­тар­ных частиц. Квар­ко­вая модель адро­нов (она же кван­то­вая хро­мо­ди­на­ми­ка) ста­ла ее частью.

Еще одним сдер­жи­ва­ю­щим фак­то­ром было отсут­ствие пря­мых экс­пе­ри­мен­таль­ных под­твер­жде­ний суще­ство­ва­ния квар­ков. Они нача­ли появ­лять­ся лишь в кон­це 1960-х, после того как уда­лось про­щу­пать про­то­ны быст­ры­ми элек­тро­на­ми. Эти экс­пе­ри­мен­ты поз­во­ли­ли пред­по­ло­жить, что внут­ри про­то­нов скры­ты какие-то точеч­ные части­цы, кото­рые Ричард Фей­н­ман назвал пар­то­на­ми. В кон­це кон­цов пар­то­ны отож­де­стви­ли с квар­ка­ми, но это про­изо­шло не рань­ше 1972 года.

Окон­ча­тель­ное при­зна­ние квар­ков так­же при­шло на волне экс­пе­ри­мен­таль­ных дан­ных. В 1964 году Джеймс Бьёр­кен и буду­щий Нобе­лев­ский лау­ре­ат Шел­дон Глэ­шоу пред­по­ло­жи­ли, что суще­ству­ет чет­вер­тый кварк, кото­рый они назва­ли оча­ро­ван­ным (charmed). В 1970 году на базе этой гипо­те­зы Глэ­шоу, Джон Илио­пу­лос и Лучи­а­но Манья­ни объ­яс­ни­ли неко­то­рые осо­бен­но­сти рас­па­да ней­траль­ных као­нов, кото­рые не нахо­ди­ли разум­ной интер­пре­та­ции. В нояб­ре 1974 года две груп­пы аме­ри­кан­ских физи­ков раз­ны­ми мето­да­ми заре­ги­стри­ро­ва­ли рас­па­ды мезо­на, состо­я­ще­го из оча­ро­ван­но­го квар­ка и его анти­квар­ка. Физи­ки про­воз­гла­си­ли это собы­тие Ноябрь­ской Рево­лю­ци­ей, а руко­во­ди­те­ли групп Сэмю­эль Тинг и Бар­тон Рих­тер все­го два года спу­стя полу­чи­ли Нобе­лев­скую пре­мию.

В мае 1976 года нако­нец-то была откры­та пер­вая части­ца с нену­ле­вым оча­ро­ва­ни­ем – ней­траль­ный D-мезон, ком­би­на­ция оча­ро­ван­но­го квар­ка и u-анти­квар­ка. Тут уж послед­ние про­тив­ни­ки квар­ко­вой моде­ли при­зна­ли ее право­ту. Как выра­зил­ся извест­ный физик-тео­ре­тик Джон Эллис, «оча­ро­ва­ние ста­ло тем рыча­гом, кото­рый пере­вер­нул мир». Позд­нее были откры­ты еще два мас­сив­ных квар­ка, top и bottom, кото­рые без тру­да были инте­гри­ро­ва­ны в систе­му Стан­дарт­ной моде­ли. А в послед­ние годы экс­пе­ри­мен­та­то­ры обна­ру­жи­ли экзо­ти­че­ские четы­рех­квар­ко­вые состо­я­ния – тет­ра­квар­ки, или, как их еще назы­ва­ют, адрон­ные моле­ку­лы.

Мыс­ли о науч­ных рево­лю­ци­ях

Новое пони­ма­ние при­ро­ды суб­атом­ных частиц, осно­ван­ное на еди­ной тео­рии элек­тро­сла­бо­го вза­и­мо­дей­ствия и тео­рии квар­ков, бес­спор­но заслу­жи­ва­ет титу­ла науч­ной рево­лю­ции. Ее нача­лом мож­но счи­тать откры­тие стран­ных частиц в 1947 году, а завер­ше­ни­ем – обна­ру­же­ние оча­ро­ван­но­го мезо­на. Полу­ча­ет­ся, что эта новей­шая (и пока послед­няя) рево­лю­ция в физи­ке дли­лась 29 лет.

Мно­го это или мало? Пер­вая рево­лю­ция в химии, в ходе кото­рой была опро­верг­ну­та тео­рия фло­ги­сто­на, потре­бо­ва­ла 24 года. Джеймс Клерк Макс­велл опуб­ли­ко­вал осно­вы тео­рии элек­тро­маг­нит­но­го поля в 1864 году, но боль­шин­ство физи­ков при­ня­ло ее лишь после того, как в 1887–1888 годах Ген­рих Герц открыл пред­ска­зан­ные Макс­вел­лом элек­тро­маг­нит­ные вол­ны. Кван­то­вая рево­лю­ция, нача­тая в 1900 году Мак­сом План­ком, завер­ши­лась в кон­це 1920-х. Эйн­штей­нов­ская рево­лю­ция, в ходе кото­рой были пере­смот­ре­ны нью­то­нов­ские пред­став­ле­ния о про­стран­стве, вре­ме­ни и тяго­те­нии и раз­ви­ты пер­вые успеш­ные кос­мо­ло­ги­че­ские моде­ли, рас­тя­ну­лась при­мер­но на чет­верть века. Пер­вая рево­лю­ция в нау­ке о наслед­ствен­но­сти, нача­тая в 1865 году Гре­го­ром Мен­де­лем и завер­шен­ная создан­ной к 1913 году хро­мо­сом­ной тео­ри­ей, заня­ла пол­ве­ка. Так что науч­ные рево­лю­ции – дело дол­гое.

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (2 оценок, среднее: 3,00 из 5)
Загрузка...
 
 

Метки: , , , , , , , , , , , , , , , ,

 

3 комментария

  • В сло­ве «пере­о­ди­че­ской» «пере» – это при­став­ка?

  • Валера Луцкин:

    В иллю­стра­ции «Вза­и­мо­дей­ствие меж­ду частицами…«бросается в гла­за обособ­лен­ное поло­же­ние глю­о­нов. Инте­рес­но, кто-либо пытал­ся это объ­яс­нить?

  • Владимир К:

    Здесь не ска­за­но, но сто­ит отме­тить – это не извест­но широ­ко.
    Назва­ние пи-мезо­ны, или сокра­щен­но пио­ны, дано по пер­вой бук­ве сло­ва primary – пер­вич­ные.
    В кос­ми­че­ских лучах дав­но виде­ли мюо­ны, кото­рые рань­ше назы­ва­ли мю-мезо­на­ми. Сна­ча­ла имен­но они были кан­ди­да­та­ми на роль пере­нос­чи­ков силь­ных вза­и­мо­дей­ствий или юкав­ских мезо­нов (что обсуж­да­лось япон­ским физи­ком Юка­вой). Но позд­нее выяс­ни­лось, что мюо­ны воз­ни­ка­ют в пре­иму­ще­ствен­но резуль­та­те рас­па­дов ПЕРВИЧНЫХ, более тяже­лых мезо­нов, кото­рые и были назва­ны пи-мезо­на­ми. Имен­но они – наря­ду с дру­ги­ми мезо­на­ми – ответ­ствен­ны за свя­зы­ва­ние нук­ло­нов в ядра. Мюо­ны же скром­но оста­лись в сто­рон­ке.
    Сам я узнал об этой исто­рии не очень дав­но.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Недопустимы спам, оскорбления. Желательно подписываться реальным именем. Аватары - через gravatar.com