Кваркам - півстоліття
Загадки дивних частинок
Після Другої Світової війни світ субатомних частинок виглядав до кумедного простим. Нуклони (протони і нейтрони) і електрони входили до складу атомів, а передбачені в 1935 і відкриті через дванадцять років півонії (як їх тоді називали, пі-мезони) відповідали за тяжіння нуклонів в атомних ядрах. Передбачені ще до півонії, але ще не виловлені в експерименті нейтрино виявилися настільки потрібними для пояснення бета-розпадів атомних ядер, що їхнє існування не викликало сумнівів. Кожній частинці належала античастка, і деякі з них були виявлені. Несправді залишалися лише мюони, важкі аналоги електронів, які виникали при розпадах заряджених півонів і перетворювалися на нейтрино і електрони чи позитрони. Фізики не дуже розуміли, чому б півонії не народжувати ці частинки без проміжної інстанції в особі мюонів.
Це був лише початок. У 1949 році Сесіл Пауелл і його колеги з Брістольського університету, які теж вивчали космічні промені, виявили на фотоемульсії слід зарядженої частинки такої ж маси, що дала початок не двом, а трьом півонії. Пізніше з'ясувалося, що і вона, і V-частка Рочестера і Батлера - це різні представники сімейства з чотирьох частинок, названих К-мезонами або каонами. Два заряджених каони мають масу 494 МеВ, а два нейтральних - 498 МеВ. Цікаво, що Рочестер з Батлером у 1947 році спостерігали рідкісний розпад позитивного каона на позитивний та нейтральний півонії, але не змогли його інтерпретувати. Більше того, найперше спостереження події за участю каона мало місце у 1943 році, проте інформація про нього з'явилася у пресі лише після війни.
Дальше більше. У 1950 і 1951 роках співробітники Мельбурнського та Манчестерського університетів повідомили про відкриття у космічних променяхчастинки важчі за протон і нейтрон. Вона теж не мала електричного заряду і розпадалася на протон і негативний півонія, які знову ж таки розходилися по V-подібним трекам. Для назви задіяли грецьку букву Λ (лямбда).
Нові частки виглядали таємничими. Вони виникали у процесах сильних ядерних взаємодій і розпадалися на сильно взаємодіючі частинки відомих типів. Це стало зрозуміло, коли в 1953 році в Брукхейвенській національній лабораторії запрацював перший у світі прискорювач-мільярдник Коглядон, який дозволив удосталь отримувати і каони, і Λ-частки. Однак час їхнього життя становило 10 -10 -10 -13 с, а тодішня теорія обмежувала його 10 -23 с. Більше того, вони з'являлися лише парами і ніколи поодинці. Для пояснення цієї загадки американський фізик-теоретик Маррі Гелл-Ман і японці Тадео Накано і Казухіко Нішиджіма в тому ж 1953 запропонували приписати цим часткам нове квантове число, яке Гелл-Ман назвав дивністю. За визначенням, дивина «колишніх» адронів, тобто протонів, нейтронів і півонії, дорівнює нулю.
Розглянемо цю схему з прикладу виникнення нейтрального каона і Λ-частки при зіткненні протона і негативного півонії. Сума дивно вихідних частинок дорівнює нулю, такою ж вона повинна бути у частинок-нащадків. Так буде, якщо приписати каону дивина плюс один, а Λ-частинці мінус один. Аналогічно інтерпретують інші подібні реакції.
Стандартна модель елементарних частинок, зведена в таблицю за аналогією з періодичною системою хімічних елементів (Вікіпедія)
Порядок безладно?
Закон збереження дивності діє у сильних та електромагнітних взаємодіях, проте порушується у процесах за участю слабких взаємодій. Цим він відрізняєтьсявід законів збереження загальної кількості баріонів (баріонного числа), кількості лептонів (лептонного числа) та електричного заряду, які суворо дотримуються у всіх відомих процесах. Цим пояснюється аномальне довголіття дивних частинок. Скажімо, Λ-частка може розпастись на протон і негативний півонія або на нейтрон і нейтральний півонія — з очевидним незбереженням дива. Це відбувається тому, що процесом розпаду управляє слабка взаємодія, яка дозволяє лямбді жити довше. У 1950-ті роки було відкрито ще дві групи дивних частинок важче за протон. Це три сигма-частинки, ? Аналіз їх розпадів показав, що членам триплету Σ-частинок треба приписати дивність мінус 1, а кожній із частинок Ξ-дублету - мінус два. Тоді ж було показано, хоч і не цілком достовірно, що всі дивні частинки важчі за протон мають половинний спин, тобто є ферміонами.
Вісімковий шлях
Американський фізик-теоретик Маррі Гелл-Манн (народився в 1929), лауреат Нобелівської премії з фізики в 1969 «за відкриття, пов'язані з класифікацією елементарних частинок та їх взаємодій» («Вікіпедія»)
Кончина моделі Сакати збіглася за часом з появою нового підходу до систематизації адронів. Його батьками-засновниками стали Гелл-Манн і ізраїльтянин Ювал Нееман, який працював в Англії, в 35 років проміняв кар'єру військового і дипломата на теоретичну фізику. Вони виходили з того, що сукупність відкритих в експерименті мезонів і баріонів очевидно розпадається на кілька груп споріднених частинок - мультиплетів. Такі три півонії, дві пари каонів, пара нуклонів, лямбда, трисигми та дві кси-частинки. Члени кожного мультиплета мають близькі маси і однакову дивність, але різні електричні заряди. Оскільки сильні ядерні взаємодії взагалі залежить від електричних сил, їм частинки однієї й тієї ж мультиплета виглядають близнюками.
Гелл-Манн і Нееман припустили, що виникнення мультиплетів відповідає певна глибинна симетрія законів природи, і їм вдалося її знайти. Вона виявилася узагальненням симетрії безперервної групи SU(2), якою користувалися описи спинових квантових чисел. Однак усі 23 відомі на той час адрони мають спін 0, 1/2 або 1, тому впорядкувати їх на цій основі неможливо. Гелл-Ман та Нееман вирішили скористатися для класифікації адронів не одним, а двома квантовими числами, для чого симетрію довелося розширити. В результаті вони дійшли до групи симетрії SU(3), яку ще на початку століття вивчив французький математик Елі Картан.
Юваль Нееман (1925-2006) - ізраїльський державний діяч і вчений (Wikimedia.org)
Гелл-Манн використовував абстрактні квантові числа - гіперзаряд та ізотопічний спин. З таким же успіхом можна взяти дивність та електричний заряд. У будь-якому випадку виходить вісімка (октет) баріонів (плюс вісім антибаріонів), в яку входять пара нуклонів з нульовою дивністю і зарядами 0 і 1, пара кси-часток з дивністю мінус 2 і зарядами мінус 1 і 0, і четвірка частинок з дивністю мінус 1 (нейтральна лямбда-частка і три сигми із зарядами мінус 1, 0 та 1). Аналогічним чином виникає і октет мезонів — з тією різницею, що їхні дивацтва лежать у проміжку від одиниці до мінус одиниці. Гелл-Ман назвав свою схему Восьмеричним Шляхом - за аналогією з тим, що Будда вказав як дорогу до нірвани.
Нарешті кварки!
Відкриття групи Саміоса всього на добу випередило статтю Гелл-Манна "Схематична модель баріонів і мезонів", де ця систематика була представлена в новому світлі. Там було показано, що SU(3)-симетрія допускає існування триплету ферміонів з дробовими електричними зарядами 2/3, -1/3 і -1/3, один з яких має ненульову дивність. Гелл-Ман назвав їх кварками і позначив індексами u, d і s (скорочення слівup,downіstrange). Відповідно до цієї схеми кожен баріон утворений трьома кварками, а мезон-кварком та антикварком.
До аналогічної моделі одночасно додумався постдок із ЦЕРНу Джордж Цвейг, який щойно захистив дисертацію в Калтеху, де його роботою спочатку керував Гелл-Манн, а потім Річард Фейнман. Цвейг назвав ферміони з дрібними зарядами тузами. Він також розглядав баріони як потрійні комбінації кварків, а мезони як кварк-антикваркові пари. Ця робота з'явилася у пресі навіть на кілька тижнів раніше замітки Гелл-Манна, але лише як цернівський препринт. З цих публікацій і почалася хода кваркової моделі адронів світом фізичної науки.
Взаємодія між різними частинками стандартної моделі («Вікіпедія»)
Від недовіри до прийняття
Ця хода не була швидкою. Модель за наочність і красиве ім'я миттєво полюбили журналісти та популяризатори, проте фізики остаточно прийняли її лише через 12 років. На це були причини. Модель у первісному вигляді суперечила принципу Паулі, якому повинні підкорятися всі ферміони. Якщо протон складається з двох u-кварків і одного d-кварка, то u-кварки повинні знаходитися в тому самому квантовому стані, а це, згідно з Паулі, неможливо. Цю проблему з часом вирішили, забезпечивши кварки додатковим квантовим числом - кольором,яке може набувати трьох значень - червоний, синій, зелений. Не було зрозуміло, як кварки взаємодіють один з одним і чому не переходять із пов'язаних станів у вільні. Ці таємниці розгадали за допомогою теорії калібрувальних полів, що оформилася у першій половині 1970-х років і дозволила побудувати Стандартну модель фізики елементарних частинок. Кваркова модель адронів (вона квантова хромодинаміка) стала її частиною.
Ще одним стримуючим фактором була відсутність прямих експериментальних підтверджень існування кварків. Вони почали з'являтися лише наприкінці 1960-х, після того, як вдалося промацати протони швидкими електронами. Ці експерименти дозволили припустити, що всередині протонів приховані якісь крапкові частинки, які Річард Фейнман назвав партонами. Зрештою, партони ототожнили з кварками, але це сталося не раніше 1972 року.
У травні 1976 року нарешті було відкрито першу частинку з ненульовою чарівністю — нейтральний D-мезон, комбінація зачарованого кварку та u-антикварка. Тут останні противники кваркової моделі визнали її правоту. Як висловився відомий фізик-теоретик Джон Елліс, «чарівність стала тим важелем, який перевернув світ». Пізніше були відкриті ще два масивні кварки,topіbottom, які легко були інтегровані в систему Стандартної моделі. А в останні роки експериментатори виявили екзотичні чотирикваркові стани — тетракварки, або, як їх ще називають, адронні молекули.
Думки про наукові революції
Нове розуміння природи субатомних частинок, засноване на єдиній теорії електрослабкої взаємодії та теорії кварків, безперечно заслуговує на титул наукової революції. Її початком можна вважати відкриття дивних частинок у 1947 році, а завершенням – виявленнязачарований мезон. Виходить, що ця новітня (і поки що остання) революція у фізиці тривала 29 років.