Що таке кварки

Кварки… Що це таке? Наукові терміни рідко придумують довільно, їх намагаються вибирати у відповідності з характером позначуваного явища чи об’єкта. Позитрон, наприклад, — носій елементарного позитивного заряду; «позитро» по-латині означає позитивний. Нейтрон — частинка, що не несе електричного заряду, її назва походить від латинського слова «нейтрум», що значить «ні те, ні інше». Адрони — група елементарних частинок, що володіють значними масами і сильно взаємодіючих: «адрон» по-грецьки — масивний, могутній. Лептони — слабо взаємодіючі частинки, їх назва на тій же мові означає тонкий, ніжний. Точно так само гіперони, мезони, баріони, нуклони, фотони і багато інших назв мікрочастинок можуть бути пояснені, обґрунтовані, перекладені з давніх мов на нові. А як зрозуміти нову назву «кварк»?

На жаль! — ні в одному словнику такого слова немає. Звідки ж взялося воно? Виявляється, винен дублінський шинкар Фіннеган, герой роману англійського письменника Джойса «Поминки по Фіннегану». У цьому ускладненому, заплутаному, нарочито незрозумілому літературному творі є епізод, в якому Фіннегану (або його двійникові, «який витиснув його з життя») ввижається, що він Король Марк середньовічної легенди, у якого племінник Трістан викрав дружину, прекрасну Ізольду. Король Марк женеться за Ізольдою на кораблі, над ним кружляють чайки (які, втім, може бути, зовсім не чайки, а судді) і злобно кричать «ТРИ КВАРКА МІСТЕРОВІ МАРКУ». Короля мучать кошмари, над ним знущаються чайки, і все голосніше їх загадковий, страшний клич: «ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА…».

Коротше кажучи, термін «кварки» в «перекладі» на нормальну людську мову буде означати «маячні», «немислимі», «кошмарні», «дикі», «неймовірні» — можете сміливо продовжувати підбирати синоніми самі.

Придумавши нові, абсолютно незвичайні частинки мікросвіту, наділивши їх приголомшливими властивостями і побудувавши з них звичайні мікрочастинки, американський фізик М. Гелл-Манн назвав породження своєї наукової фантазії «кварками». Але навіщо він зробив це? Навіщо знадобилася ще одна незрозуміла частинка? Адже і без того їх більше, ніж хотілося б фізикам.

Саме надмірна кількість мікрочастинок наштовхнула Гелл-Манна на ідею кварків. Спершу передбачалося, що всесвіт побудований з протонів і електронів, часток неподільних та вічних. Потім було відкрито ще близько трьох десятків елементарних частинок, причому більшість з них — нестабільні, тобто незабаром після виникнення спонтанно розпадаються, перетворюючись в інші частинки. Зараз відомо елементарних частинок двохсот з гаком видів. Багато з нових мешканців мікросвіту існують лише трильйонні частки секунди.

Збільшення числа частинок, відкриття нових властивостей, звичайно, радувало вчених. Але разом з тим все гостріше поставала проблема класифікації мешканців мікросвіту. Дуже хотілося звести їх строкате різноманіття до якогось порядку, єдності.

Після безлічі невдалих спроб запалала, як ніби, зірка успіху: спочатку вдалося створити дуже абстрактну, суто математичну класифікацію адронів (що увінчалася пророкуванням відкриття чергової нової частинки). І після цього американський фізик вигадав кварки, «цеглинки світобудови», з яких, як зараз вважають, побудовані і протони і нейтрони, і майже всі інші мікрочастинки.

Ось вже багато років фізики всього світу говорять про кварки. І ніяк не можуть їх виявити в експерименті. Зрозуміло, щоб ці нові «цеглини» виконали свою роль, треба було вказати, як побудувати з них «будинки». Цього Гелл-Манн домігся. Але дорогою ціною: він змушений був наділити кварки незвичайними властивостями. Настільки незвичайними, що для назви передбачуваних часток цей фізик і обрав химеру Джойса — кварки Фіннегана.

У Джойса сказано — «Три кварка». У Гелл-Манна їх теж три. Три різних кварка. І ще три античастинки (наділені протилежними зарядами): три антикварки. Всього шість. Так випливало з деяких загальних міркувань, і в цьому немає нічого маячного та неймовірного.

Щоб зрозуміти, чому знадобилося настільки образне ім’я «кварк», треба згадати наступне. У всіх елементарних частинок є кілька властивостей, фізичних характеристик, які обов’язково зберігаються, які б жахливі сили не діяли на частинки. Ніякі перетворення не можуть привести до того, щоб ці величини хоч скільки-небудь збільшилися або зменшилися. Очевидно, кварки повинні володіти всіма цими характеристиками.

Перша з них — електричний заряд. Він обов’язково зберігається при взаємодіях і перетвореннях частинок. Причому до недавніх пір фізики твердо знали: існує найменша можлива порція електрики, непорушна і неподільна — заряд електрона. Але кварки тому і кварки, що для них неможливе можливе: одному з них приписаний заряд -1-2/3, а двом іншим — по -1/3!

Повинен зберігатися у різноманітних процесах і так званий баріонів заряд (він проявляється лише на незначних відстанях, порівнянних з розмірами атомного ядра). Для відомих частинок баріонів заряд може мати значення +1, 0 — 1. Це, відповідно, мезони і баріони (а також антибаріони). Кваркам ж довелося дописати баріонів заряд +1/3 (антикваркам — 1/3).

Крім цих двох зарядів, перетворення елементарних частинок зберігається спін — величина, що характеризує обертання навколо власної осі. Тут у кварків нічого фантастичного немає, — як і у багатьох частинок, спін у них дорівнює 1/2.

Є ще четверта величина, в якійсь мірі подібна заряду, — дивина. Ім’я це (вигадане, до речі, тим же Гелл-Манном), дано їй за дивну властивість: при деяких видах розпаду вона не зберігається. Так ось, у двох з трьох кварків дивина дорівнює нулю і у одного — мінус одиниці. Це теж не дуже дивно.

Саме вражаюче у кварках — їх маса. Маса неймовірно величезна, нечувана і важко уявна для елементарних частинок — вони повинні бути в 10 разів важче протона!

Для фізика таке припущення звучить приблизно так само, як для нас з вами твердження, що десь у лісі іноді зустрічаються хрущі величиною з ТУ-124. А для не фізиків ще дивніше те, що з таких надважких частинок, мабуть, побудовані частинки, вдесятеро більш легкі. З трьох літаків без втрат матеріалу зроблений один звичайний (не гігантський) травневий жук. Як це розуміти?

Сьогодні широко відомий знаменитий ейнштейнівський закон еквівалентності маси і енергії Е = mc2. За цим законом всяке тіло несе в собі гігантську енергію, пропорційну його масі і квадрату швидкості світла. При різних взаємодіях енергія тіла може змінюватися, але тоді обов’язково змінюється і його маса. Словом, маса має енергію, а енергія — масу.

Далі буде.

Автор: М. Карев.