Елементарні частинки кварки

Древні думали, що в основі матеріального світу лежать чотири першоелемента: земля, вода, повітря і вогонь; всі інші речовини — це більш або менш складні комбінації цих основних сутностей. З тих пір пройшло досить багато часу, проте нічого більш оригінального люди винайти не змогли.

У XIX столітті обговорювалася атомна гіпотеза. Спочатку вона викликала сумнів, і навколо неї йшли бурхливі суперечки. Однак на рубежі століть вони змовкли, людству стало ясно, що всі тіла зроблені з атомів. Майже одночасно був відкритий електрон, і люди дізналися, що атом зовсім не елементарний. Структура атома виявилася настільки складною штукою, що для того щоб її зрозуміти, довелося створити нову фізику. Це було зроблено, і до середини тридцятих років минулого століття будова атома вже не була таємницею. Виявилося, що атом, а значить, і весь оточуючий нас світ, утворений знову-таки з чотирьох елементарних частинок: протона, нейтрона, електрона і фотона.

Однак той звичний, вивчений, домашній світ, який оточує нас, і частиною якого ми є,— далеко не єдиний можливий стан матерії. Поруч з нами сяє Сонце, трохи віддалік розташувалися нейтронні зірки, а в далекому космосі можна спостерігати і зовсім загадкові явища — квазари, вибухи в ядрах галактик і т. д.

Очевидно, що зірки, а тим більше квазари, не можуть складатися з атомів — для цього там занадто гаряче. Менш очевидним було те, що найважливішою деталлю в механізмі горіння Сонця виявилася нова частинка — нейтрино, без якої Господь Бог міг би цілком вільно обійтися (і практично обійшовся), виготовляючи Землю.

На жаль, ставити фізичні експерименти безпосередньо в надрах Сонця поки важко. Крім того, Сонце — досить холодне тіло; температура в його надрах десять — двадцять мільйонів градусів, що на чотири порядки менше внутрішньої температури рядового атомного ядра. Так що для отримання істотно нової інформації фізикам довелося б відправитися як мінімум всередину пульсара. Треба було шукати інші можливості.

Одна можливість знайшлася відразу. З’ясувалося, що Земля піддається інтенсивному бомбардуванню частинок надвисокої енергії галактичного походження. Коли така частинка потрапляє в земну атмосферу, то при зіткненні з одним із атомних ядер вона може нагріти до величезної температури невеликий обсяг, звідки, як з циліндра фокусника, у вузькому конусі за напрямом руху винуватиці події полетять нові, небачені на Землі частинки.

Експерименти в космічних променях — це туманна юність фізики елементарних частинок. Туманним було все — експериментальна методика, при якій роль фізиків зводилася до того, щоб намагатися зареєструвати час від часу прилітаючі з різних сторін частинки; установки для реєстрації цих частинок (за дивним збігом, найбільш досконала в той час установка — камера Вільсона — була наповнена туманом в буквальному сенсі цього слова); і нерідко як наслідок — інтерпретація вимірів.

Але перші результати були отримані саме тут. У 1931 році був відкритий позитрон, в 1937 році – мюон. Потім прийшла черга пі-мезона.

Не можна сказати, щоб ці відкриття особливо здивували фізиків. Існування античастинок було передбачене ще в 1928 році Діраком, а пі-мезон був необхідний для пояснення природи ядерних сил. Спантеличував лише мюон: його існування ніхто не передбачав, і він вписувався у сформовану картину світу приблизно так само вдало, як крокодил — в картину Пікассо «Дівчинка на кулі».

Друга можливість полягає в тому, щоб не чекати «милостей від природи», а створити пучок частинок космічної енергії з допомогою особливого фізичного приладу — прискорювача (незважаючи на те, що сучасний прискорювач досить далеко пішов від шкільного амперметра і є непересічним промисловим підприємством, він є фізичний прилад в точному сенсі цього слова). Ці пучки на багато порядків інтенсивніше пучків космічних променів, ними можна управляти, реєструючу установку не обов’язково піднімати в космос…

Перші серйозні прискорювачі були побудовані на початку п’ятдесятих років минулого століття. Тоді ж були поставлені перші серйозні експерименти. Ефект перевершив всі очікування. Перед здивованими фізиками з’являлися все нові і нові елементарні частинки, їх число перевалило через сотню, потім – через дві і продовжувало рости. Ситуація була цікавою — купа першооснов матерії розбухла до потворних розмірів.

Крім того, дослідження на прискорювачах показали, що навіть старий знайомий — протон — не є точковим об’єктом (на відміну від електрона!), а займає якийсь кінцевий, цілком певний обсяг, згущуючись і твердішаючи до центру і дещо розпливаючись по краях. А об’єкт, що має просторову протяжність, важко вважати елементарним.

І в цей момент на сторінках наукових журналів заговорили про «цікаві кварки» — наделементарні сутності з екзотичними властивостями, що входять до складу всіх адронів, тобто частинок, що беруть участь в сильних взаємодіях. (Адронами є майже всі елементарні частинки. Частинок, не здатних до сильної взаємодії, небагато; їх можна перерахувати по пальцях однієї руки. І, наскільки відомо сьогодні, вони елементарні в справжньому сенсі цього слова. Надалі в цій статті мова буде йти в основному про адрони.)

Кварки пояснювали деякі закономірності, що зв’язують властивості різних частинок. Більш того, кваркова гіпотеза мала пророчу силу: так, на кінчику пера, в повній аналогії з планетою Нептун був відкритий омега-гіперон; його маса, заряд, час життя і характер розпаду виявилися майже в цілковитій згоді з теоретичними передбаченнями. За цією удачею пішли інші.

Так була створена періодична система елементарних частинок, і в купі повалених з п’єдесталу першоелементів був наведений відносний порядок. Але найбільш яскраве і специфічне передбачення теорії виявилося невдалим — кварки знайдені не були. Їх не знайшли ні в дослідах на прискорювачах, ні в космічних променях, ні навіть у зразках грунту, доставлених з Місяця або піднятих з дна океанічних западин.

Ця суперечлива ситуація розбила фізиків на два табори — віруючих і невіруючих. Перші постулювали існування кварків, а негативний результат по їх пошуку пояснювали їх великою масою, нестабільністю і т. д. Другі існування кварків відкидали, хоча й не заперечували існування симетрії (горезвісного порядку) в адроному світі, яку так добре пояснила кваркова гіпотеза.

Вирішити суперечку могли тільки нові факти або нові ідеї.

Нові факти

Початком нового етапу в розвитку кваркової гіпотези варто, ймовірно, вважати пуск лінійного прискорювача електронів на енергію 20 Гев неподалік від американського міста Стенфорда.

Дослідження з вивчення структури протона за допомогою електронів високої енергії, проведені на Стенфордському прискорювачі, дали наступну картину:

• Протон — протяжна просторова структура. І не якась “розмазня”, а релятивістська пов’язана система з (трьох) точкових заряджених об’єктів, ототожнюваних з кварками.
• Стикаючись з протоном, швидкий електрон налітає на один з кварків і вибиває його.
• Кварк, однак, з незрозумілих причин далеко не відлітає, а взаємодіючи з вакуумом (фраза на перший погляд безглузда, але вона, прошу повірити, досить точно передає суть справи), народжує звичайні частинки (наприклад, пі-мезони), які реєструються приладами. Так само чинять кварки, що залишилися на місці зруйнованого протона.

Ці положення лягли в основу так званої “наївної кваркової моделі”. Наївною вона була з багатьох причин. Вважалося, наприклад, що кварки всередині нуклону поводяться як вільні, немов би не помічаючи один одного, причому взаємодією кварків між собою можна знехтувати. Це призводило до правильних результатів, але чому так можна робити — було абсолютно незрозуміло.

І головне — чому кварки не вилітають назовні, а в ста випадках зі ста знову утворюють складові системи, що захопили назву «елементарні частинки»? Словом, не було зрозуміло практично нічого, але модель дуже добре пояснювала факти і ніякої розумної альтернативи їй не передбачалося. Крім процесу розсіювання електрона на нуклоні, подібні результати були отримані для процесів розсіювання нейтрино на нуклоні і електронно-позитронної анігіляції.

Розглянемо останній процес більш докладно. Згідно кваркової моделі він відбувається в два етапи: спочатку електрон і позитрон, анігілюючи, народжують кварк-антикваркову пару; потім кварки переходять в звичайні частинки.

Народжені частинки як би пам’ятають про своє походження і летять в основному в ту ж сторону, куди летіли кварки, що утворилися при зіткненні електрона і позитрона. Таке явище, що носить назву «струменя» і було експериментально виявлено.

Традиційна безкваркова статистична модель, висхідна ще до початку п’ятдесятих років, давала зовсім іншу картину. У моделі передбачалося, що на першому етапі при анігіляції електрона і позитрона на місці їх зіткнення у просторі виникає область з надзвичайно високою концентрацією енергії — щось на зразок киплячої вогняної кулі.

Автору невідомий інший розумний спосіб пояснити існування струменів, не залучаючи кварки. Тут маска, під якою діють кварки, мабуть, найбільш прозора. За напрямом руху частинок в струмені можна відновити напрямок руху породилих її кварків і звідси витягти пряму, дивно детальну інформацію про процес анігіляції електрона і позитрона в кварки.

Третім моментом, в якому проявилася кваркова структура речовини, була чарівність.

Справа в тому, що стандартна модель з трьома сортами кварків давно вже відчувала серйозні труднощі при поясненні деяких фактів. Було зроблено припущення, що існує четвертий, «зачарований» кварк. Модель з чотирма кварками ці труднощі усувала. Не варто і говорити, яка була радість прихильників кваркової гіпотези, коли була відкрита перша частка (зараз їх відомо вже більше десятка), до складу якої “живцем” входить зачарований кварк.

Відкриття цих частинок було для фізиків чудовим подарунком ще й тому, що кваркова структура, затемнена в звичайних частинках великою енергією зв’язку, проявилася тут найбільш яскраво. Союз кваркової моделі зі звичайною нерелятивістською квантовою механікою призвів до появи багатьох нових детальних пророкувань про властивості знову відкритих частинок. Причому деякі з них були далеко не тривіальні і виключно красиві. Багато прогнозів були підтверджені експериментом.

Змальована тут картина блискучого тріумфу кваркової гіпотези загалом відповідає дійсності. Не слід, однак, думати, що прийшов час спочивати на лаврах. Для ілюстрації цієї думки увіллємо в текст ложку дьогтю.

По-перше, є деякі експерименти, які ніяк не підтверджують кваркову гіпотезу, а, навпаки, їй суперечать. Мабуть, найбільш серйозно справа йде (Прошу вибачити за вчену фразу, дану без коментарів) в процесах народження частинок з великими поперечними імпульсами в адроних зіткненнях. Не все поки ясно і в “зачарованому мікросвіті”.

По-друге, наївна кваркова модель за своєю природою феноменологічна. Вона відповідає на питання «як?», але не відповідає на питання «чому?» А питання «чому?”все ж головніше. Про спроби вирішення цього питання піде мова далі.

Нові ідеї

Перш ніж говорити про нові ідеї, необхідне хоча б побіжне знайомство з ідеями старими. Зупинимося на двох таких ідеях.

Перша з них, ідея кольору, відносно проста. Коли вперше прозвучало слово «кварки», їх було всього три — протонний, нейтронний і дивний. Потім, коли до моделі придивилися більш уважно, стало ясно, що вона неправильна. Вже згадуваний омега-гіперон, наприклад, повинен був складатися з трьох однакових дивних кварків, причому напрямок спіна у всіх трьох кварків також повинен бути однаковим.

Але це неможливо, оскільки два, а тим більше три, як в омега-гіпероні, однакових кварка не можуть перебувати в стані, що характеризується однаковими квантовими числами. З тих самих причин, з яких в однаковому стані не можуть перебувати два електрони (так званий принцип заборони Паулі, відповідальний, зокрема, за мальовниче розмаїття електронних оболонок в атомах різних хімічних елементів).

З цього тупика було знайдено досить своєрідний вихід — постулювалося, що кожен кварк може існувати в трьох кольорових модифікаціях — зеленій, червоній та синій (назви кольорів і сам термін «колір»,— звичайно, не більше, ніж наочна і точна метафора, у якій потребують не тільки читачі науково-популярних статей, але і самі вчені).

Тепер всі кварки різні, і протиріччя з принципом заборони немає. Є така кумедна дитяча іграшка – обертовий диск з трьома кольоровими кружечками – червоним, синім і зеленим. При обертанні кружечки зливаються в суцільну білу смугу, оскільки червоний, зелений і синій кольори в змішуванні дають білий. Отже, здалеку омега-гіперон буде здаватися білим. Може здатися, що це справедливо і для всіх інших адронів.

Друга ідея, ідея квантової теорії поля, набагато складніше. Власне, це навіть не ідея, а ціла ідеологія, що грає ту ж роль в сучасній фізиці, яку нерелятивіська квантова механіка грала у фізиці п’ятдесятирічній, а механіка Ньютона — у фізиці столітньої давності.

Історично першим прикладом такої теорії була квантова електродинаміка, створена на рубежі сорокових і п’ятдесятих років. У найпростішому варіанті вона описує взаємодію електронів, позитронів і фотонів. Розвиток теорії за дивним збігом обставин став можливим в силу того випадкового факту, що заряд електрона виявився досить малий (в безрозмірних одиницях квадрат заряду, або, що те ж саме, константа електромагнітної взаємодії, складає всього 1/137).

Негайно після створення квантової електродинаміки були зроблені спроби створити за її образом і подобою теорію сильних взаємодій. Однак саме тому, що взаємодія сильна і її константа приблизно в тисячу разів більше електромагнітної, ці спроби зазнали невдачі. Зроблені спроби розрахувати найпростіші сильні процеси призвели до розбіжності з експериментом в десятки разів.

Порочність такого підходу була ясна. І все ж фізики не залишали надії. Допомога прийшла звідти, звідки її не чекали…

Як ви пам’ятаєте, у наївній кварковій моделі взаємодія кварків не розглядалася. В послідовній теорії кварки мають взаємодіяти (інакше незрозуміло, що їх тримає в тому ж протоні). Якщо є взаємодія, повинні бути і кванти взаємодії (так, фотон — є квант електромагнітної взаємодії, а в ролі кванта сильної взаємодії в перших теоріях виступав пі-мезон). Ці кванти отримали назву глюонів (від англійського слова «глу» — клей). Глюони «склеюють» кварки і не дають їм розлетітися.

Взаємодіють глюони з кварками приблизно так само, як фотони взаємодіють з електронами. Але на відміну від фотона глюони володіють «кольором». При взаємодії глюон, наприклад, може перевести червоний кварк в синій або навпаки; може брати участь у взаємодії з зеленим кварком, не змінюючи кольору, але не реагувати з червоним і синім кварками і т. д. Всього, як неважко переконатися, існує вісім незалежних нетривіальних можливостей (тривіальна, «біла» можливість — коли глюон взаємодіє з кварками всіх кольорів однаково інтенсивно і колір кварка в результаті взаємодії не змінюється). Отже, існує вісім кольорових глюонов.

Той факт, що кванти взаємодії мають колір, призводить до незвичайних наслідків. Глюони, наприклад, можуть взаємодіяти між собою без будь-якої участі кварків, фотони на таке не здатні. Взагалі, колір грає тут таку важливу роль, що теорія була охрещена квантовою хромодинамікою.

Отже, сучасна теорія сильних взаємодій є теорія взаємодії кварків та глюонов. Вони точкові і елементарні в справжньому сенсі цього слова. Всі інші адрони, які тільки і спостерігаються на досвіді, є пов’язаними станами кварків і глюонів.

У чому ж перевага цієї теорії перед старими, відкинутими теоріями сильних взаємодій? Адже константа взаємодії тут теж велика, а при цьому, як правильно стверджувалося раніше, ніякий послідовний розгляд не був можливим.

Справа в тому, що квантова хромодинаміка володіє одною чудовою властивістю, що вигідно відрізняє її від всіх інших відомих теорій. В будь-якій теорії константа взаємодії — насправді зовсім не константа, а залежить від характерної енергії частинок, що беруть участь у процесі. В електродинаміці та інших аналогічних теоріях ця константа з енергією зростає. У квантовій хромодинаміці ця константа з енергією падає. Це означає – при досить великій енергії вона впаде настільки, що буде можливо проводити конкретні нетривіальні розрахунки.

Це означає також, що при достатньо великих енергіях, тобто на досить малих відстанях, взаємодія між кварками стає настільки малою, що в першому наближенні нею можна зневажити і розглядати як вільні кварки. А саме це і робилося раніше, тільки необгрунтовано, в наївній кварковій моделі!

Навпаки, коли відстань між кварками збільшується, константа взаємодії починає рости. Взаємодія між кварками тут сильна, і вони утворюють пов’язані системи — «елементарні» частинки. При подальшому збільшенні відстані…

На жаль, що буде при подальшому збільшенні відстані, точно не відомо. У цій галузі константа велика, і поки не існує методів, що дозволяють зробити будь-які певні твердження. Область великих відстаней — це свого роду астральний план, куди зникають кварки після недовгого реального існування.

В одній з книг, виданій в середині шістдесятих років, наведена цікава карикатура, на якій фізики зображені у вигляді мулярів, що викладають перевернуту піраміду з написом «кваркова гіпотеза». Своєю вершиною піраміда спиралася на омега-гіперон, передбачення якого було в той час єдиним успіхом гіпотези. Зараз піраміда перекинулася, оперлася підставою на численні експериментальні факти. І лише вершина її, проблема невилітання кварків, поки прихована хмарами. На вершину з різних сторін деруться організовані загони альпіністів. Чи досягнуть вони мети – покаже час.

Автор: А. Смолін.