Элементарные частицы партоны
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Число известных науке элементарных частиц перешагнуло за сотню, и у физиков давно уже возникло естественное недоверие к их элементарности. Физики Гелл-Манн и Цвейг высказали идею, согласно которой сильно взаимодействующие частицы (их представителями, например, являются нейтроны и протоны атомных ядер) состоят из неких фундаментальных частиц, именуемых кварками.
Теория кварков оказалась очень удобной, и с ее помощью была построена четкая схема классификации элементарных частиц. Однако все попытки обнаружить кварки в свободном состоянии до настоящего времени остались тщетными. Иногда появлялись сообщения о том, что эти гипотетические частицы найдены, но тщательная проверка каждый раз опровергала преждевременные оптимистические выводы.
Тем временем в начале семидесятых годов известный физик Фейнман предположил, что структура сильно взаимодействующих частиц несколько сложнее. Согласно его гипотезе взаимодействие двух элементарных частиц, ускоренных до большой энергии, происходит таким образом, будто обе эти частицы представляют собой облака точечных частичек пар тонов. (Само слово происходит от английского parton — частичка.)
Образно можно представить себе два столкнувшихся на лету роя пчел, каждая из которых взаимодействует с пчелой другого роя, и таким образом проявляется их суммарное взаимодействие.
Не исключено, что партоны и кварки тождественны, хотя физически понятие партоны шире. Исходя из партокной гипотезы, можно предсказывать вероятность тех или иных реакций, происходящих между элементарными частицами. Тем самым в гипотезе заложена возможность проверки ее добротности.
Так, например, известно, что при встрече электронного и позитронного пучков частиц-двойников, обладающих различным электрическим зарядом (электрон — отрицательный, позитрон — положительный), наступает аннигиляция, когда легкие частицы превращаются в кванты излучения — обычный процесс, всем известный по школьному учебнику.
Однако при больших энергиях пучка реакция аннигиляции может сопровождаться рождением тяжелых сильно взаимодействующих частиц или частиц промежуточной массы — отрицательного и положительного мюонов
Партонная гипотеза предполагает, что, грубо говоря, отношение числа появившихся частиц при достаточно большой энергии пучков остается постоянным и от энергии уже не зависит. Вывод фундаментальный и для гипотезы партонов достаточно важный.
Используя ускоритель на встречных электрон-позитронных пучках, группа физиков в Стенфорде (США) подвергла экспериментальной проверке это утверждение. Результаты эксперимента были неожиданными: оказалось, что отношение выхода числа частиц, о котором шла речь, меняется с изменением энергии, хотя ее значение заведомо достигло величин, предусмотренных гипотезой.
Несоответствие различных предсказаний опытным данным было отмечено и другими группами экспериментаторов. Означает ли это крушение партонной гипотезы? Что нового могут добавить такого рода эксперименты к модели кварков? На эти вопросы пока что ответить трудно.
В ближайшее время планируются новые опыты, где будут подвергнуты проверке предсказания партонной гипотезы. Их результаты должны в какой-то мере дать ответ, что же положительного содержит в себе очередная попытка физиков разобраться в структуре элементарных частиц.
Автор: В. Манько.