Элементарные частицы кварки

Древние думали, что в основе материального мира лежат четыре первоэлемента: земля, вода, воздух и огонь; все остальные вещества — это более или менее сложные комбинации этих основных сущностей. С тех пор прошло довольно много времени, однако ничего более оригинального люди изобрести не смогли.

В XIX веке обсуждалась атомная гипотеза. Вначале она вызывала сомнение, и вокруг нее шли бурные споры. Однако на рубеже столетий они смолкли, человечеству стало ясно, что все тела сделаны из атомов. Почти одновременно был открыт электрон, и люди узнали, что атом вовсе не элементарен. Структура атома оказалась настолько сложной штукой, что для того чтобы ее понять, пришлось создать новую физику. Это было сделано, и к середине тридцатых годов прошлого века строение атома уже не было тайной. Оказалось, что атом, а значит, и весь окружающий нас мир, образован опять-таки из четырех элементарных частиц: протона, нейтрона, электрона и фотона.

Однако тот привычный, изученный, домашний мир, который окружает нас, и частью которого мы являемся,— далеко не единственное возможное состояние материи. Рядом с нами сияет Солнце, несколько поодаль расположились нейтронные звезды, а в далеком космосе можно наблюдать и вовсе загадочные явления — квазары, взрывы в ядрах галактик и т. д.

Очевидно, что звезды, а тем более квазары, не могут состоять из атомов — для этого там слишком горячо. Менее очевидным было то, что важнейшей деталью в механизме горения Солнца оказалась новая частица — нейтрино, без которой Господь Бог мог бы вполне свободно обойтись (и практически обошелся), изготовляя Землю.

К сожалению, ставить физические эксперименты непосредственно в недрах Солнца пока затруднительно. Кроме того, Солнце — довольно холодное тело; температура в его недрах десять — двадцать миллионов градусов, что на четыре порядка меньше внутренней температуры рядового атомного ядра. Так что для получения существенно новой информации физикам пришлось бы отправиться как минимум внутрь пульсара. Надо было искать другие возможности.

Одна возможность нашлась сразу. Выяснилось, что Земля подвергается интенсивной бомбардировке частиц сверхвысокой энергии галактического происхождения. Когда такая частица попадает в земную атмосферу, то при столкновении с одним из атомных ядер она может нагреть до огромной температуры небольшой объем, откуда, как из цилиндра фокусника, в узком конусе по направлению движения виновницы происшествия полетят новые, невиданные на Земле частицы.

Эксперименты в космических лучах — это туманная юность физики элементарных частиц. Туманным было все — экспериментальная методика, при которой роль физиков сводилась к тому, чтобы стараться зарегистрировать время от времени прилетающие с разных сторон частицы; установки для регистрации этих частиц (по странному совпадению, наиболее совершенная в то время установка — камера Вильсона — была наполнена туманом в буквальном смысле этого слова); и нередко как следствие — интерпретация измерений.

Но первые результаты были получены именно здесь. В 1931 году был открыт позитрон, в 1937 году — мюон. Затем пришел черед пи-мезона.

Нельзя сказать, чтобы эти открытия особенно удивили физиков. Существование античастиц было предсказано еще в 1928 году Дираком, а пи-мезон был необходим для объяснения природы ядерных сил. Озадачивал лишь мюон: его существования никто не предсказывал, и вписывался он в сложившуюся картину мира примерно так же удачно, как крокодил — в картину Пикассо «Девочка на шаре».

Вторая возможность заключается в том, чтобы не ждать «милостей от природы», а создать пучок частиц космической энергии с помощью особого физического прибора — ускорителя (несмотря на то, что современный ускоритель довольно далеко ушел от школьного амперметра и является немаленьким промышленным предприятием, он есть физический прибор в точном смысле этого слова). Эти пучки на много порядков интенсивнее пучков космических лучей, ими можно управлять, регистрирующую установку не обязательно поднимать в космос…

Первые серьезные ускорители были построены в начале пятидесятых годов прошлого века. Тогда же были поставлены первые серьезные эксперименты. Эффект превзошел все ожидания. Перед изумленными физиками появлялись все новые и новые элементарные частицы, их число перевалило через сотню, потом — через две и продолжало расти. Ситуация была забавной — груда первооснов материи разбухла до безобразных размеров.

Кроме того, исследования на ускорителях показали, что даже старый знакомый — протон — не является точечным объектом (в отличие от электрона!), а занимает некий конечный, вполне определенный объем, сгущаясь и твердея к центру и несколько расплываясь по краям. А объект, имеющий пространственную протяженность, трудно считать элементарным.

И в этот момент на страницах научных журналов заговорили о «кварках» — сверхэлементарных сущностях с экзотическими свойствами, входящих в состав всех адронов, то есть частиц, принимающих участие в сильных взаимодействиях. (Адронами являются почти все элементарные частицы. Частиц, не способных к сильному взаимодействию, немного; их можно пересчитать по пальцам одной руки. И, насколько известно сегодня, они элементарны в подлинном смысле этого слова. В дальнейшем в этой статье речь будет идти в основном об адронах.)

Кварки объясняли некоторые закономерности, связывающие свойства различных частиц. Более того, кварковая гипотеза обладала предсказательной силой: так, на кончике пера, в полной аналогии с планетой Нептун, был открыт омега-гиперон; его масса, заряд, время жизни и характер распада оказались почти в точном согласии с теоретическими предсказаниями. За этой удачей последовали другие.

Так была создана периодическая система элементарных частиц, и в груде свергнутых с пьедестала первоэлементов был наведен относительный порядок. Но наиболее яркое и специфическое предсказание теории оказалось неудачным — кварки найдены не были. Их не нашли ни в опытах на ускорителях, ни в космических лучах, ни даже в образцах грунта, доставленных с Луны или поднятых со дна океанических впадин.

Эта противоречивая ситуация разбила физиков на два лагеря — верующих и неверующих. Первые постулировали существование кварков, а отрицательный результат по их поиску объясняли их большой массой, нестабильностью и т. д. Вторые существование кварков отвергали, хотя и не отрицали существование симметрии (пресловутого порядка) в адронном мире, которую так хорошо объяснила кварковая гипотеза.

Разрешить спор могли только новые факты или новые идеи.

Новые факты

Началом нового этапа в развитии кварковой гипотезы стоит, вероятно, считать пуск линейного ускорителя электронов на энергию 20 Гэв неподалеку от американского города Стэнфорда.

Исследования по изучению структуры протона с помощью электронов высокой энергии, проведенные на Стэнфордском ускорителе, дали следующую картину:

• Протон — протяженная пространственная структура. И не какая-нибудь «размазня», а релятивистская связанная система из (трех) точечных заряженных объектов, отождествляемых с кварками.
• Сталкиваясь с протоном, быстрый электрон налетает на один из кварков и вышибает его.
• Кварк, однако, по непонятным причинам далеко не улетает, а взаимодействуя с вакуумом (фраза на первый взгляд бредовая, но она, прошу поверить, довольно точно передает суть дела), рождает обычные частицы (например, пи-мезоны), которые и регистрируются приборами. Так же поступают кварки, оставшиеся на месте разрушенного протона.

Эти положения легли в основу так называемой «наивной кварковой модели». Наивной она была по многим причинам. Считалось, например, что кварки внутри нуклона ведут себя как свободные, словно бы не замечая друг друга, причем взаимодействием кварков между собой можно пренебречь. Это приводило к правильным результатам, но почему так можно делать — было совершенно непонятно.

И главное — почему кварки не вылетают наружу, а в ста случаях из ста снова образуют составные системы, узурпировавшие наименование «элементарные частицы»? Словом, не было понятно практически ничего, но модель очень хорошо объясняла факты и никакой разумной альтернативы ей не предвиделось. Помимо процесса рассеяния электрона на нуклоне, подобные результаты были получены для процессов рассеяния нейтрино на нуклоне и электронно-позитронной аннигиляции.

Рассмотрим последний процесс более подробно. Согласно кварковой модели он происходит в два этапа: сначала электрон и позитрон, аннигилируя, рождают кварк — антикварковую пару; затем кварки переходят в обычные частицы.

Рождающиеся частицы как бы помнят о своем происхождении и летят в основном в ту же сторону, куда летели кварки, образовавшиеся при соударении электрона и позитрона. Такое явление носит название «струи» и было экспериментально обнаружено.

Традиционная безкварковая статистическая модель, восходящая еще к началу пятидесятых годов, давала совсем другую картину. В модели предполагалось, что на первом этапе при аннигиляции электрона и позитрона на месте их столкновения в пространстве возникает область с чрезвычайно высокой концентрацией энергии — нечто вроде кипящего огненного шара.

Автору неизвестен другой разумный способ объяснить существование струй, не привлекая кварки. Здесь маска, под которой действуют кварки, пожалуй, наиболее прозрачна. По направлению движения частиц в струе можно восстановить направление движения породивших ее кварков и отсюда извлечь прямую, удивительно подробную информацию о процессе аннигиляции электрона и позитрона в кварки.

Третьим моментом, в котором проявилась кварковая структура вещества, было очарование.

Дело в том, что стандартная модель с тремя сортами кварков давно уже испытывала серьезные трудности при объяснении некоторых фактов. Было сделано предположение, что существует четвертый, «очарованный» кварк. Модель с четырьмя кварками эти трудности устраняла. Не стоит и говорить, какова была радость приверженцев кварковой гипотезы, когда была открыта первая частица (сейчас их известно уже больше десятка), в состав которой «живьем» входит очарованный кварк.

Открытие этих частиц было для физиков чудесным подарком еще и потому, что кварковая структура, затемненная в обычных частицах большой энергией связи, проявилась здесь наиболее ярко. Союз кварковой модели с обычной нерелятивистской квантовой механикой привел к появлению многих новых детальных предсказаний о свойствах вновь открытых частиц. Причем некоторые из них были далеко не тривиальны и исключительно красивы. Многие предсказания были подтверждены экспериментом.

Обрисованная здесь картина блестящего триумфа кварковой гипотезы в общем соответствует действительности. Не следует, однако, думать, что пришло время почивать на лаврах. Для иллюстрации этой мысли вольем в текст ложку дегтя.

Во-первых, есть некоторые эксперименты, которые никак не подтверждают кварковую гипотезу, а, наоборот, ей противоречат. Пожалуй, наиболее серьезно дело обстоит (прошу извинить за ученую фразу, данную без комментариев) в процессах рождения частиц с большими поперечными импульсами в адронных столкновениях. Не все пока ясно и в «очарованном микромире».

Во-вторых, наивная кварковая модель по своей природе феноменологична. Она отвечает на вопрос «как?», но не отвечает на вопрос «почему?» А вопрос «почему?» все же главнее. О попытках решения этого вопроса пойдет речь дальше.

Новые идеи

Прежде чем говорить о новых идеях, необходимо хотя бы беглое знакомство с идеями старыми. Остановимся на двух таких идеях.

Первая из них, идея цвета, относительно проста. Когда впервые прозвучало слово «кварки», их было всего три — протонный, нейтронный и странный. Потом, когда к модели присмотрелись более внимательно, стало ясно, что она неправильна. Уже упоминавшийся омега-гиперон, например, должен был состоять из трех одинаковых странных кварков, причем направление спина у всех трех кварков также должно быть одинаковым.

Но это невозможно, поскольку два, а тем более три, как в омега-гипероне, одинаковых кварка не могут пребывать в состоянии, характеризующемся одинаковыми квантовыми числами. По тем же причинам, по которым в одинаковом состоянии не могут находиться два электрона (так называемый принцип запрета Паули, ответственный, в частности, за живописное разнообразие электронных оболочек в атомах различных химических элементов).

Из этого тупика был найден довольно своеобразный выход — постулировалось, что каждый кварк может существовать в трех «цветных» модификациях — зеленой, красной и синей (названия цветов и сам термин «цвет»,— конечно, не более, чем наглядная и точная метафора, в которой нуждаются не только читатели научно-популярных статей, но и сами ученые).

Теперь все кварки разные, и противоречия с принципом запре¬та нет. Есть такая забавная детская игрушка — вращающийся диск с тремя цветными кружочками — красным, синим и зеленым. При вращении кружочки сливаются в сплошную белую полосу, поскольку красный, зеленый и синий цвета в смешении дают белый. Следовательно, издалека омега-гиперон будет казаться белым. Можно показать, что это справедливо и для всех остальных адронов.

Вторая идея, идея квантовой теории поля, намного сложнее. Собственно, это даже не идея, а целая идеология, играющая ту же роль в современной физике, какую нерелятивистская квантовая механика играла в физике пятидесятилетней, а механика Ньютона — в физике столетней давности.

Исторически первым примером такой теории была квантовая электродинамика, созданная на рубеже сороковых и пятидесятых годов. В простейшем варианте она описывает взаимодействие электронов, позитронов и фотонов. Развитие теории по странному стечению обстоятельств явилось возможным в силу того случайного факта, что заряд электрона оказался довольно мал (в безразмерных единицах квадрат заряда, или, что то же самое, константа электромагнитного взаимодействия, составляет всего 1/137).

Немедленно после создания квантовой электродинамики были сделаны попытки создать по ее образу и подобию теорию сильных взаимодействий. Однако именно потому, что взаимодействие сильное и его константа примерно в тысячу раз больше электромагнитной, эти попытки потерпели неудачу. Предпринятые попытки рассчитать простейшие сильные процессы привели к расхождению с экспериментом в десятки раз.

Порочность такого подхода была ясна. И все же физики не оставляли надежды. Помощь пришла оттуда, откуда ее не ждали…

Как вы помните, в наивной кварковой модели взаимодействие кварков не рассматривалось. В последовательной теории кварки должны взаимодействовать (иначе непонятно, что их держит в том же протоне). Если есть взаимодействие, должны быть и кванты взаимодействия (так, фотон — есть квант электромагнитного взаимодействия, а в роли кванта сильного взаимодействия в первых теориях выступал пи-мезон). Эти кванты получили название глюонов (от английского слова «глу» — клей). Глюоны «склеивают» кварки и не дают им разлететься.

Взаимодействуют глюоны с кварками примерно так же, как фотоны взаимодействуют с электронами. Но в отличие от фотона глюоны обладают «цветом». При взаимодействии глюон, например, может перевести красный кварк в синий или наоборот; может участвовать во взаимодействии с зеленым кварком, не меняя его цвета, но не реагировать с красным и синим кварками и т. д. Всего, как нетрудно убедиться, существует восемь независимых нетривиальных возможностей (тривиальная, «белая» возможность — когда глюон взаимодействует с кварками всех цветов одинаково интенсивно и цвет кварка в результате взаимодействия не меняется). Следовательно, существует восемь цветных глюонов.

Тот факт, что кванты взаимодействия обладают цветом, приводит к необычным следствиям. Глюоны, например, могут взаимодействовать между собой без всякого участия кварков, фотоны на такое не способны. Вообще, цвет играет здесь такую важную роль, что теория была окрещена квантовой хромодинамикой.

Итак, современная теория сильных взаимодействий есть теория взаимодействия кварков и глюонов. Они точечны и элементарны в подлинном смысле этого слова. Все остальные адроны, которые только и наблюдаются на опыте, являются связанными состояниями кварков и глюонов.

В чем же преимущество этой теории перед старыми, отвергнутыми теориями сильных взаимодействий? Ведь константа взаимодействия здесь тоже велика, а при этом, как правильно утверждалось раньше, никакое последовательное рассмотрение не было возможно.

Дело в том, что квантовая хромодинамика обладает одним замечательным свойством, выгодно отличающим ее от всех других известных теорий. В любой теории константа взаимодействия — на самом деле вовсе не константа, а зависит от характерной энергии частиц, участвующих в процессе. В электродинамике и других аналогичных теориях эта константа с энергией растет. В квантовой хромодинамике эта константа с энергией падает. Это значит — при достаточно большой энергии она упадет настолько, что будет возможно проводить конкретные нетривиальные расчеты.

Это значит также, что при достаточно больших энергиях, то есть на достаточно малых расстояниях, взаимодействие между кварками становится настолько малым, что в первом приближении им можно пренебречь и рассматривать кварки как свободные. А именно это и делалось ранее, только необоснованно, в наивной кварковой модели!

Напротив, когда расстояние между кварками увеличивается, константа взаимодействия начинает расти. Взаимодействие между кварками здесь сильное, и они образуют связанные системы — «элементарные» частицы. При дальнейшем увеличении расстояния…

К сожалению, что будет при дальнейшем увеличении расстояния, точно не известно. В этой области константа велика, и пока не существует методов, позволяющих сделать какие-либо определенные утверждения. Область больших расстояний — это своего рода астральный план, куда исчезают кварки после недолгого реального существования.

В одной из книг, изданной в середине шестидесятых годов, приведена любопытная карикатура, на которой физики изображены в виде каменщиков, выкладывающих перевернутую пирамиду с надписью «кварковая гипотеза». Своей вершиной пирамида опиралась на омега-гиперон, предсказание которого было в то время единственным успехом гипотезы. Сейчас пирамида перевернулась, оперлась основанием на многочисленные экспериментальные факты. И лишь вершина ее, проблема невылетания кварков, пока скрыта облаками. На вершину с разных сторон карабкаются организованные отряды альпинистов. Достигнут ли они цели — покажет время.

Автор: А. Смолин.