Кварки: чому вони не вилітають?
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.
Це тільки одне з безлічі питань, на які намагаються відповісти вчені, займаючись теоретичними дослідженнями у фізиці елементарних частинок. Що ж стосується питання про кварки, то воно – свого роду «пробний камінь» для будь-якої теорії, що претендує на роль всеосяжної теорії мікросвіту. Це саме так, оскільки мова йде про структуру адронів – самого великого сімейства частинок, які до останнього часу вважалися елементарними. Як вони влаштовані і чому їх так багато? Відповісти на ці, в найзагальнішому вигляді поставлені питання, означало б зрозуміти цілі Природи, яка так чудово потрудилася на цьому рівні організації матерії.
Так ось, кварки. Про них говорилося вже дуже багато, але, на мій погляд, вони того заслуговують. Заслуговують тому, що все більше вагомими стають їх «домагання» на роль самої елементарної «цеглинки» матерії, з якої складені майже всі відомі нині частки. Досить цікава і показова історія, яка сталася з кварками. Спочатку всі ставилися до них як до якихось метафізичних сутностей. Говорили, що в деяких випадках баріони і мезони поводяться так, як якщо б вони були складені з кварків. А що це насправді так, ніхто і не думав. Але за 10-12 років ставлення до них в корені змінилося. Чим ближче людина до фізики елементарних частинок, тим більше у неї віра в те, що кварки реально існують всередині адронів.
Причому схоже, що на малих відстанях, тобто глибоко всередині адронів, кварки поводяться так, як ніби вони нічим не пов’язані один з одним. І що ще дивніше: якщо це такі вільні частки, чому їх не можна вибити з адрону? Чому ми їх не бачимо і, як мені здається, ніколи не побачимо?
Деякі експериментатори вважають, що все це вигадки теоретиків, просто потрібен прискорювач з ще більшою енергією. І тоді варто лише сильніше вдарити по адрону, як кварки звідти посиплються самі.
Але в дійсності такий прискорювач вже існував – це молодий, гарячий Всесвіт. Розрахунки показують, що в ті часи були дуже високі температури. А значить, повинні були існувати не тільки електрон-позитронні пари, а й частки з більш важкими масами і енергіями, достатніми для того, щоб народити кварки. Свого часу кварки дуже наполегливо шукали: і в космосі, і в океанській воді і в гірських породах. За оцінками, їх повинно бути приблизно один кварк на мільярд нуклонів.
Тому надія знайти дрібно заряджені кварки в природі дуже мала. Те ж саме відноситься і до прискорювачів з усе більшою енергією. Природно припустити, що коли ми вдаряємо сильно по адрону і передаємо кваркам великий імпульс, вони можуть розійтися на великі відстані, проте вилетіти не можуть. Створюється враження, що між ними виникають сили типу струн.
Як можна було б уявити собі «струну», що зв’язує кварки в адронах? Зазвичай силові лінії електричного поля, створеного зарядом, розходяться рівномірно на всі боки. Чим далі від нього знаходиться інший заряд, тим менше силових ліній буде їх пов’язувати. Сила взаємодії падає з відстанню.
У кварках ж, як показують проведені розрахунки, все не так. Силовому полю, яке вони збуджують в просторі, енергетично вигідніше не розходитися по всіх напрямах, а йти по найкоротшій відстані між кварками. Навколо пучка силових ліній цього поля збуджуються кільцеві струми магнітних монополів, які віртуально виникають у вакуумі. Ось ці самі кільцеві струми, циркулюючи навколо силових ліній, стискають їх в горезвісну «струну». Енергія такої струни тим більше, чим більше її довжина.
Ось і виходить, що чим сильніше ми вдаряємо по системі кварків і чим далі вони розлітаються одна від одної, тим більше сила, яка повертає їх назад.
Зрозуміло, це дуже спрощений варіант уявлень про мікросвіт, що випливає з висновків так званих калібрувальних теорій – великого класу моделей, покликаних об’єднувати всі види взаємодій між частинками. Зараз все більше теоретиків звертається в їх віру, розвиваючи формальний апарат калібрувальних теорій і намагаючись укласти в їх схему різноманіття експериментальних фактів. І все більше складних, здавалося б, нерозв’язних суперечностей, типу парадоксу кварків, починає знаходити логічне пояснення в світлі калібрувальних теорій.
Автор: А. Белавін, кандидат фізико-математичних наук.