Кварки: ховаються чи не існують?

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.

Гіпотезі атомізму понад дві тисячі років, атомне ядро відкрито сто двадцять років тому, нейтрон — складова частина ядра — виявлений 1932 року, потім з’явилося припущення, що елементарні частинки складаються з ще дрібніших об’єктів — кварків. Ілюзія елементарності не покидає фізиків, хоч і відступає на дедалі глибші рівні структури матерії.

Вона існувала за нинішніми темпами досить довго — понад тридцять років, доки 1964 року не з’явилися нові герої — кварки. Вийшли вони у головні дійові особи фізики елементарних часток дуже своєрідно: їхніх попередників — ядра, протони, нейтрони — знаходили експериментатори, а кварки з’явилися на світ завдяки гіпотезі теоретиків.

За допомогою кварків добре пояснюються багато закономірностей сімейств частинок, вдається побудувати щось подібне до періодичної системи елементів, та ось біда — ніхто їх не бачив. Натхненні успіхами теоретиків експериментатори в усьому світі кинулися шукати кварки і не могли знайти. Але такий великий був успіх кваркових теорій, що відсутність кварків у вільному вигляді не призвела до думки про їхню відсутність взагалі. Теоретики стали вигадувати моделі «невильоту кварків». І як це часто буває в роботі вчених, коли всі вже звикли до думки про «невилітання», в 1980 році з’явилися звістки про те, що кварки зареєстровані. Вимірювання продовжуються і зараз, і поки у фізиків немає абсолютної впевненості у справедливості чи несправедливості отриманих результатів.
Точніше, у те, що кварки існують, вірять усі, а сумніви викликає факт їхнього існування у вільному вигляді.

Кварки у вільному вигляді спостерігала група американських фізиків під керівництвом професора Фербенка із дослідницького центру у Стенфорді. П’ять кульок з ніобію розміром із шпилькову головку поміщали в спеціальну посудину, де під дією складної комбінації електричного та магнітного полів кульки повисали у підвішеному стані та могли переміщатися. Так ось, дослідження руху кульок на полях дозволяє встановити, який на них заряд. Результати перевершили всі очікування: на одній не було заряду, але в чотирьох — заряд в одну третину заряду електрона, на двох позитивний, але в двох негативний.

Саме такий заряд у кварку передбачає теорія. Здавалося б, усе зрозуміло: експеримент річ об’єктивна. Але річ у тому, що подібний експеримент був виконаний в іншому американському університеті, у групі доктора Морпурго, щоправда, із залізними кульками, і там результат негативний: жодних дробових зарядів не виявлено. Захисники вільних кварків кажуть, що, можливо, кварки з незрозумілих причин є в ніобії і відсутні в залізі. Щоб усунути розбіжності, готується новий експеримент: десять тисяч залізних кульок із ніобієвим покриттям.

Окрім експериментального методу з магнітними та електричними полями та металевими кульками, є й інші: в Аргонській лабораторії заряд дрібних крапельок визначатимуть за їх відхиленням у електростатичному полі конденсатора. Поки за допомогою цього методу не вдалося виявити жодного кварку, але дослідники збираються знизити рівень ще на тринадцять порядків, тобто якщо кварки у вільному стані зустрічаються з частотою один на десять у тридцятій мірі звичайних атомів, цей кварк буде виявлений. Є ще плани експериментів з лазерами та складними електронними схемами, загалом питання досліджується інтенсивно і, що дуже важливо, різними методами, на різних установках і в різних країнах — це виключає можливість помилок. А нам залишається чекати на результати.

Автор: А. Семенов.