Чарівні частинки з мікросвіту
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Фізикам було вже відомо величезне число частинок, за традицією названих елементарними. Хоча, швидше за все, назви цієї вони не заслуговують — надто вже вони влаштовані складно. Таких не елементарно влаштованих елементарних частинок налічувалося більше двохсот. Більшість з них належали до групи так званих адронів, тобто важких частинок, близьких за масою до протону і сильно взаємодіючих одна з одною. Практично кожен рік додавав щось до цієї групи елементарних частинок, так що відкриття ще одного адрону останнім часом стало майже буденною справою, хвилюючим хіба тільки вузьких фахівців.
Однак частинки, виявлені порівняно недавно, були зовсім не схожі на частки, відкриті раніше. І цим вони відразу привернули до себе загальну увагу. У їх відкритті був елемент несподіванки, який так розбурхує уяву і стимулює подальші пошуки. Не дивно, що хвиля небувалого інтересу і ентузіазму охопила більшість лабораторій світу. За порівняно короткий термін в декількох наукових центрах світу було отримано ряд нових і важливих результатів.
Нові частинки одержали назву псі-частинок. Псі-частинки — нестабільні утворення, розпадаються в основному на адрони, мають нульовий електричний і баріонів заряд, спін, рівний одиниці, і досить велику масу (3,3 і 3,9 маси протона відповідно). Ці характеристики — свого роду «паспорт» елементарної частинки. Але в цьому, однак, псі-частинки мало відрізняються від вже відомих масивних адронів. Головна відмінність і незвичність полягає у часі їх життя. Вони живуть, хоча і дуже мало, з точки зору звичайних масштабів, проте в 1000 разів довше, ніж адрони близьких мас. Саме ця обставина була більш за все дивною. Для такого подовження часу життя повинні існувати серйозні причини: або ці частинки не володіють сильними взаємодіями і, отже, не є адронами, або, якщо вони адрони, для їх розпаду існує якась заборона. І те, і інше відразу виділяє псі-частинки серед інших частинок, близьких за масою.
Після відкриття псі-частинок з’явилося безліч теоретичних робіт з самими різними варіантами пояснення їх незвичайних властивостей. Однак жодного з цих варіантів поки що не можна визнати достатньо переконливим. Так що питання про природу псі-частинок ще відкрите.
Одна із запропонованих у цьому зв’язку гіпотез викликає особливий інтерес. Вона досить вдало справляється з поясненням властивостей псі-частинок. І в той же час в ній проглядаються характерні риси, властиві деяким явищам в інших областях мікросвіту.
Важливу роль тут грає уявлення про так звані «цікаві кварки». Цим незвичайним словом у фізиці елементарних частинок називають об’єкти, яким відводиться роль справжніх елементарних сутностей, своєрідних будівельних блоків речовини. «Кварки» — ці найпростіші «цеглинки» — визначають основні характеристики (квантові числа) елементарних частинок: ізотопічний спін, дивину, баріонне число і т. д. Зазвичай в теорії фігурують три кварка: протонний, нейтронний і дивний. Невідомо, чи існують кварки як самостійні утворення (в експерименті вони поки не виявлені) або це лише зручні символи для теоретичного опису елементарних частинок. У будь-якому випадку уявлення про «цікаві кварки» виявляється дуже ефективним.
Так, все різноманіття адронів, відомих до останнього часу вдавалося звести до різних комбінацій цих (трьох!) кварків. Тим не менш, з ряду інших областей, зокрема з фізики слабких взаємодій, напрошувалася вказівка, що для опису елементарних частинок слід ввести ще один, четвертий кварк, який є носієм нового квантового числа, що отримав назву «чарівність» (англ. charm). Назва відповідного кварка найбільш точно перекладається як «чарівний» (іноді використовується назва «зачарований» кварк). У цих назвах відображено все зростаюче здивування фізиків устроєм світу елементарних частинок (так само як і їх прагнення відійти від сухої академічної мови).
Четвертий кварк привносить в опис елементарних частинок ще одну характеристику — «чарівність» (якщо завгодно, кількість «чарівності»). Проте необхідність введення четвертого кварка до недавнього часу була не більш ніж гарною здогадкою. Фізики не володіли надійними свідченнями існування нового квантового числа.
Відкриття псі-частинок, можливо, радикально змінює справу. Гіпотеза, про яку йде мова, стверджує, що в даному випадку фізики зіткнулися з об’єктом, що володіє «прихованою чарівністю», тобто складеним з «чарівних» кварка і антикварка. Сам об’єкт при цьому не має спостережуваної «чарівності», оскільки «чарівності» кварка і антикварка, складаючись, компенсуються. Незвичайність властивостей псі-частинок при такому трактуванні пов’язана з незвичайністю складових їх кварків. Зокрема, порівняно великий час життя псі-частинок пов’язаний з малою ймовірністю анігіляції пари «чарівних» кварків в пару звичайних кварків, з яких складені відомі адрони.
Якщо ця гіпотеза вірна, псі-частинки — лише перший досліджений приклад системи, побудованої на базі «чарівних» кварків. За ними повинні наслідувати багато інших. Збільшення числа кварків на одиницю різко розширює число їх можливих комбінацій, що становлять елементарні частинки. Повинно існувати велике сімейство елементарних частинок, що виникають в результаті комбінування звичайних і «чарівних» кварків. Ці частинки також назвали «чарівними», тільки на відміну від псі-частинок вони володіють вже не прихованою, а явною «чарівністю». У ряді відносин вони нагадують «дивні» частинки, відкриті фізиками на початку п’ятдесятих років минулого століття, в появі яких було винне нове (тоді) квантове число — «дивність».
Світ «чарівних» частинок, однак, повинен бути значно багатше за кількістю своїх представників. Серед них, наприклад, повинні бути частинки, що володіють і «аномалією», і «чарівністю» одночасно.
Теорія передбачає, що «зачаровані» частинки, хоча і повинні бути нестабільними, але з часом життя 10 в мінус 14 ступені секунди, помітно більше часу життя псі-частинок.
Є відомі підстави припускати, що народження «чарівних» частинок було виявлено в нейтринному експерименті, проведеному на прискорювачі в Батавії (США). Таким чином, викладена гіпотеза, мабуть, має перші підтвердження, хоча наведені факти потребують подальшої, більш ретельної перевірки.
Зараз фізики живуть великими надіями, породженими відкриттям псі-частинок. Якщо ці надії виправдаються, відкриється ще одна область досліджень — світ «чарівних» частинок, вивчення якого ще на один крок просуне нас у пізнанні законів мікросвіту.
Автор: А. Комар.