Елементарні частинки партони

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.

Число відомих науці елементарних частинок переступило за сотню, і у фізиків давно вже виникла природна недовіра до їх елементарності. Фізики Гелл-Манн і Цвейг висловили ідею, згідно з якою сильно взаємодіючі частинки (їх представниками, наприклад, є нейтрони і протони атомних ядер) складаються з деяких фундаментальних частинок, що іменуються кварками.

Теорія кварків виявилася дуже зручною, і з її допомогою була побудована чітка схема класифікації елементарних частинок. Однак всі спроби виявити кварки у вільному стані до теперішнього часу залишилися марними. Іноді з’являлися повідомлення про те, що ці гіпотетичні частинки знайдені, але ретельна перевірка кожного разу спростовувала передчасні оптимістичні висновки.

Тим часом на початку сімдесятих років відомий фізик Фейнман припустив, що структура сильно взаємодіючих частинок трохи складніше. Згідно з його гіпотезою взаємодія двох елементарних частинок, прискорених до великої енергії, відбувається таким чином, що обидві ці частинки являють собою хмари точкових частинок партонів. (Саме слово походить від англійського parton – частинка.)

Образно можна уявити собі два рої бджіл, що зіткнулися на льоту, кожна з яких взаємодіє з бджолою іншого рою, і таким чином проявляється їх сумарна взаємодія.

Не виключено, що партони і кварки тотожні, хоча фізично поняття партон ширше. Виходячи з партоної гіпотези, можна прогнозувати ймовірність тих чи інших реакцій, що відбуваються між елементарними частинками. Тим самим в гіпотезі закладена можливість перевірки її добротності.

Так, наприклад, відомо, що при зустрічі електронного та позитронного пучків частинок-двійників, що володіють різним електричним зарядом (електрон – негативний, позитрон – позитивний), настає анігіляція, коли легкі частинки перетворюються в кванти випромінювання – звичайний процес, всім відомий по шкільному підручнику .

Однак при високих енергіях пучка реакція анігіляції може супроводжуватися народженням важких сильно взаємодіючих частинок або частинок проміжної маси – негативного і позитивного мюонів

Партона гіпотеза припускає, що, грубо кажучи, відношення числа нових частинок при досить великій енергії пучків залишається постійним і від енергії вже не залежить. Висновок фундаментальний і для партоної гіпотези досить важливий.

Використовуючи прискорювач на зустрічних електрон-позитронних пучках, група фізиків в Стенфорді (США) піддала експериментальній перевірці це твердження. Результати експерименту були несподіваними: виявилося, що відношення виходу числа частинок, про який йшла мова, змінюється зі зміною енергії, хоча її значення свідомо досягло величин, передбачених гіпотезою.

Невідповідність різних прогнозів експериментальним даним була відзначена й іншими групами експериментаторів. Чи означає це крах партоної гіпотези? Що нового можуть додати такого роду експерименти до моделі кварків? На ці питання поки що відповісти важко.

Найближчим часом плануються нові досліди, де будуть піддані перевірці передбачення партоної гіпотези. Їх результати повинні в якійсь мірі дати відповідь, що ж позитивного містить в собі чергова спроба фізиків розібратися в структурі елементарних частинок.

Автор: В. Манько.