Очаровательные частицы из микромира
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
Физикам было уже известно огромное число частиц, по традиции называемых элементарными. Хотя, скорее всего, названия этого они не заслуживают — слишком уж сложно они устроены. Таких неэлементарно устроенных элементарных частиц насчитывалось более двухсот. Большинство из них принадлежало к группе так называемых адронов, то есть тяжелых частиц, близких по массе к протону и сильно взаимодействующих друг с другом. Практически каждый год добавлял что-нибудь к этой группе элементарных частиц, так что открытие еще одного адрона в последнее время стало почти будничным делом, волнующим разве только узких специалистов.
Однако частицы, обнаруженные сравнительно недавно, были вовсе не похожи на частицы, открывавшиеся прежде. И этим они сразу привлекли к себе всеобщее внимание. В их открытии был элемент неожиданности, который так будоражит воображение и стимулирует дальнейшие поиски. Неудивительно, что волна небывалого интереса и энтузиазма охватила большинство лабораторий мира. За сравнительно короткий срок в нескольких научных центрах мира был получен ряд новых и важных результатов.
Новые частицы получили название пси-частиц. Пси-частицы — нестабильные образования, распадаются в основном на адроны, имеют нулевой электрический и барионный заряд, спин, равный единице, и довольно большую массу (3,3 и 3,9 массы протона соответственно). Эти характеристики — своего рода «паспорт» элементарной частицы. Но в этом, однако, пси-частицы мало отличаются от уже известных массивных адронов. Главное отличие и необычность заключаются во времени их жизни. Они живут, хотя и очень мало, с точки зрения обычных масштабов, однако в 1000 раз дольше, чем адроны близких масс. Именно это обстоятельство было более всего удивительным. Для такого удлинения времени жизни должны существовать серьезные причины: либо эти частицы не обладают сильными взаимодействиями и, следовательно, не являются адронами, либо, если они адроны, для их распада существует какой-то запрет. И то, и другое сразу выделяет пси-частицы среди других частиц, близких по массе.
После открытия пси-частиц появилось множество теоретических работ с самыми различными вариантами объяснения их необычных свойств. Однако ни одни из этих вариантов пока нельзя признать достаточно убедительным. Так что вопрос о природе пси-частиц еще открыт.
Одна из предложенных в этой связи гипотез вызывает особенный интерес. Она довольно удачно справляется с объяснением свойств пси-частиц. И в то же время в ней просматриваются характерные черты, присущие некоторым явлениям в других областях микромира.
Важную роль в этой гипотезе играет представление о так называемых «кварках». Этим необычным словом в физике элементарных частиц называют объекты, которым отводится роль истинных элементарных сущностей, своеобразных строительных блоков вещества. «Кварки» — эти простейшие «кирпичики» — определяют основные характеристики (квантовые числа) элементарных частиц: изотопический спин, странность, барионное число и т. д. Обычно в теории фигурируют три кварка: протонный, нейтронный и странный. Неизвестно, существуют ли кварки как самостоятельные образования (в эксперименте они пока не обнаружены) или это лишь удобные символы для теоретического описания элементарных частиц. В любом случае представление о «кварках» оказывается очень эффективным.
Так, все многообразие адронов, известных до последнего времени, удавалось свести к различным комбинациям этих (всего трех!) кварков. Тем не менее, из ряда других областей, в частности из физики слабых взаимодействий, напрашивалось указание, что для описания элементарных частиц следует ввести еще один, четвертый кварк, который является носителем нового квантового числа, получившего название «очарование» (англ. charm). Название соответствующего кварка наиболее точно переводится как «очаровательный» (иногда используется название «очарованный» кварк). В этих названиях отражено все возрастающее удивление физиков устройством мира элементарных частиц (равно как и их стремление отойти от сухого академического языка).
Четвертый кварк привносит в описание элементарных частиц еще одну характеристику — «очарование» (если угодно, количество «очарования»). Однако необходимость введения четвертого кварка до недавнего времени была не более чем красивой догадкой. Физики не располагали надежными свидетельствами существования нового квантового числа.
Открытие пси-частиц, возможно, радикально меняет дело. Гипотеза, о которой идет речь, утверждает, что в данном случае физики столкнулись с объектом, обладающим «скрытым очарованием», то есть составленным из «очаровательных» кварка и антикварка. Сам объект при этом не имеет наблюдаемого «очарования», поскольку «очарования» кварка и антикварка, складываясь, компенсируются. Необычность свойств пси-частиц при такой трактовке связана с необычностью составляющих их кварков. В частности, сравнительно большое время жизни пси-частиц связано с малой вероятностью аннигиляции пары «очаровательных» кварков в пару обычных кварков, из которых составлены известные адроны.
Если эта гипотеза верна, пси-частицы — лишь первый исследованный пример системы, построенной на базе «очаровательных» кварков. За ними должны последовать многие другие. Увеличение числа кварков на единицу резко расширяет число возможных их комбинаций, составляющих элементарные частицы. Должно существовать большое семейство элементарных частиц, возникающих в результате комбинирования обычных и «очаровательных» кварков. Эти частицы также назвали «очаровательными», только в отличие от пси-частиц они обладают уже не скрытым, а явным «очарованием». В ряде отношений они напоминают «странные» частицы, открытые физиками в начале пятидесятых годов прошлого века, в появлении которых было повинно новое (тогда) квантовое число — «странность».
Мир «очаровательных» частиц, однако, должен быть гораздо богаче по числу своих представителей. Среди них, например, должны быть частицы, обладающие и «странностью», и «очарованием» одновременно.
Теория предсказывает, что «очаровательные» частицы, хотя и должны быть нестабильными, но со временами жизни 10 в минус 14 степени секунды, заметно большими времени жизни пси-частиц.
Есть известные основания предполагать, что рождение «очаровательных» частиц было обнаружено в нейтринном эксперименте, проведенном на ускорителе в Батавии (США). Таким образом, изложенная гипотеза, видимо, имеет первые подтверждения, хотя приведенные факты нуждаются в дальнейшей, более тщательной проверке.
В настоящий момент физики живут большими надеждами, порожденными открытием пси-частиц. Если эти надежды оправдаются, откроется еще одна область исследований — мир «очаровательных» частиц, изучение которого еще на один шаг продвинет нас в познании законов микромира.
Автор: А. Комар.