65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Вопрос 56. Что такое кварки и сколько их вообще?
После того, как на более мощных ускорителях открытия новых элементарных частиц посыпались как из рога изобилия, физики поняли, что нужно наводить хоть какой-то порядок в возникшем «зоопарке». Ведь уже к началу 1960‐х годов элементарных частиц было открыто уже около сотни. Даже больше, чем химических элементов в таблице Менделеева. Всё это наводило на мысли о том, что не такие уж они элементарные. Но из чего же тогда они все состоят? Существуют ли еще более мелкие частички материи?
Оказалось, что да. После того, как американский физик-теоретик Мюррей Гелл-Ман (1929–2019) предложил в 1961 году Восьмеричный путь – новую схему классификации элементарных частиц – стала очевидна некоторая закономерность свойств, которыми обладают открытые к тому времени частицы. В этой схеме все частицы группировались по определенному принципу схожести свойств в несколько классов или семейств. В этих семействах было 8, 15, 15, 21, 24 и т. д. частиц. А через некоторое время выяснилось, что точно такой же ряд чисел встречается в совершенно никак не связанном (как тогда считали) разделе абстрактной алгебры – теории групп Ли. Эта теория указывала, что конечномерные представления группы SU(3)[122] имеют в точности такие размерности: 8, 15, 15, 21, 24 и т. д. С одним единственным отличием – в теории групп Ли было еще одно число в самом начале этого ряда. Число 3. Причем все представители остальных семейств получаются из этих трех при помощи специальной математической операции (что-то наподобие умножения). То есть это самое первое семейство как бы генерировало все остальные. Это навело ученых на мысль о том, что скорее всего в природе существуют некие три частички, из которых состоят все остальные. И эти частички назвали кварками.
Слово «кварк» впервые прозвучало в известном романе ирландского писателя Джеймса Джойса (1882–1941) «Поминки по Финнегану», опубликованном в 1939 году. Само это слово (как и многие другие выдуманные в этом романе слова) ничего не означало, но в одном из эпизодов чайка выкрикивала фразу «Три кварка для Мистера Марка». Фраза так запомнилась Гелл-Ману, что он решил использовать это странное слово для названия новых гипотетических частиц.
А кварки действительно обладают очень необычными свойствами. Один из них, кстати, так и назвали – странный кварк или s-кварк (от англ. strange). А два других получили названия верхний кварк или u-кварк (от англ. up) и нижний кварк или d-кварк (от англ. down). Помимо этих трех типов кварков со временем физики открыли еще три. Им дали названия очарованный кварк или c-кварк (от англ. charm), прелестный кварк или b-кварк (от англ. beauty) и, открытый самым последним в экспериментах 1994–1995 годов, истинный кварк или t-кварк (от англ. truth)[123].
Так что же в кварках такого необычного? К примеру, их электрический заряд должен быть дробным: +2/3 или –1/3 от элементарного заряда[124]. В этой модели протоны будут состоять из трех кварков: два u-кварка и один d-кварк (uud), нейтроны – тоже из трех кварков: одного u-кварка и двух d-кварков (udd), а вот пи-мезоны состоят только из двух: одного u-кварка и одного анти-d-кварка («анти», чтобы суммарный электрический заряд был +1). Точно так же из других комбинаций кварков можно составить остальные тяжелые элементарные частицы. Помимо электрического заряда, у кварков есть присущий только им цветовой заряд: красный, зеленый или синий[125]. Взаимодействие между кварками происходит посредством принципиально нового фундаментального взаимодействия – его назвали сильным взаимодействием. Сильное взаимодействие осуществляется посредством обмена специальными частицами – глюонами[126] (от англ. glue – клей), открытыми в 1979 году.
Но самое важное и интересное свойство кварков – это конфайнмент. Именно из-за него невозможно наблюдать (даже теоретически) отдельные свободные кварки, а только их связанные комбинации, состоящие из двух, трех и более кварков. Дело в том, что взаимодействие между кварками устроено совсем иначе, чем гравитация или электромагнетизм, которые убывают с расстоянием. Кварки, напротив, неподалеку друг от друга чувствуют себя достаточно свободно и могут перемещаться, как им заблагорассудится. Но как только какой-то из кварков начинает удаляться, силы притяжения между ними кратно увеличиваются. Как если бы кварки были связаны маленькими пружинками или резиновыми веревками, которые растягиваются при удалении кварков друг от друга и стремятся вернуть их обратно.
Хорошо, скажете вы, а что если мы схватимся за один из кварков и попытаемся вытянуть его, например, из протона? На практике схватить такой мелкий объект мы, конечно, не можем. Но что-то аналогичное может произойти при столкновениях частиц: налетающая частица может врезаться в один из кварков и попытаться выбить его из протона. Что же будет происходить в этом случае? При удалении нашего кварка от двух оставшихся силы притяжения между ними будут возрастать (пружинки будут всё сильнее натягиваться), пока в какой-то момент они не оборвутся. И тогда вся накопившаяся энергия связи, которая к тому моменту уже станет достаточно большой, по формуле Эйнштейна E = mc2 преобразуется в материю, т. е. в два новых кварка[127]. Один из них присоединится к тому, за который мы тянули (и мы получим мезон, состоящий из двух кварков), а второй займет освободившееся место в протоне. Так что, даже если очень постараться, получить отдельный кварк абсолютно невозможно.
Такое поведение кварков сразу же ставит вопрос о реальности их существования. Если мы не можем (даже теоретически) наблюдать кварки по отдельности, а только их связанные состояния, то как мы можем утверждать, что они вообще существуют? Может, это просто математическая абстракция и не более того? На этот вопрос и у теоретиков, и у экспериментаторов есть множество аргументов в пользу реальности кварков. Во-первых, каждая новая открываемая частица в точности согласуется с описанной кварковой структурой – все они ведут себя так, как если бы состояли из кварков. Более того, теория предсказывает другие
