Поиск фундаментальных частиц. 
Кварки и лептоны

При исследовании центральной положительно заряженной области атома — ядра выявилась его внутренняя структура: ядро состоит из протонов и нейтронов. В составе ядра их удерживают мощные ядерные силы, радиус действия которых ограничен величиной порядка 10 ¹⁵ м. Вокруг ядра располагается электронная оболочка. В такой модели атома все три субатомные частицы считаются элементарными, в смысле далее неделимыми, как когда-то считали неделимым атом.

К середине 60-х годов XX века обнаружилась не только множественность элементарных частиц, но и то, что многие из них являются составными (могут распадаться на другие частицы). В такой ситуации термин «элементарная частица» изменил свое физическое содержание. В современном естествознании это всего лишь объединяющее название для целого «мира» микрочастиц.

Парадигма классического естествознания включает в себя концепцию целостного, простого и гармоничного устройства мира. Основа мировой гармонии — вертикальное соподчинение (иерархия) различных, но подобных структурных уровней. «То, что наверху, подобно тому, что внизу». В рамках классического естествознания всегда были обоснованными (предписывала парадигма!) поиски первоэлементов. Классическое идейное наследие подталкивало к поиску гармонии в новом разнообразии объектов естествознания и к поиску «действительно элементарных» частиц.

Рис. 32. М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг

Три такие фундаментальные микрочастицы предложили в 1964 г., независимо друг от друга, физики-теоретики Мари Гелл-Манн и Джордж Цвейг (рис. 32). Для совершенно нового слоя частиц, претендующих на фундаментальность, необходимо было намеренно парадоксальное, непривычное название, которое будит ассоциации с чем-то необычным. Предложенное М. Гелл-Манном название «кварк» не имеет перевода на какойлибо язык человечества и является необычным придуманным звукосочетанием.

Действительно, по модели М. ГеллМанна и Цвейга, свойства кварков были очень непривычными даже для большинства физиков.

• 1. Электрический заряд кварков дробный: плюс две трети и минус одна треть от «естественной единицы заряда», т. е. от заряда протона.
• 2
• 2. Кварки были названы: верхний (и) с зарядом + /3, нижний (d) с зарядомV3 и странный (s) с зарядомV3.
• 3. В свободном состоянии, по одиночке, кварки себя не проявляют. Как реальности, в виде других «элементарных» частиц, кварки проявляют себя только в комбинациях по три или по два (кварк — антикварк).
• 4. Во взаимодействиях с участием кварков должно было проявляться свойство, для характеристики которого требуется три различных качества. Гелл-Манн и Цвейг предложили название для свойства — цветовой заряд, или просто цвет. Три проявления цветового заряда кварков: красный, синий, зеленый. Для антикварков противоположные цветовые заряды называются соответственно антикрасный, антисиний и антизеленый. Очевидно, что физический смысл введенного цвета не тот, что в привычном человеку мире. Но почему не звук или вкус?

Все дело в определенной аналогии.

Вам известно, что И. Ньютон открыл разложение бесцветного луча света в спектр радуги (помните мнемоническое правило: Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан'?). Как обратное действие, суперпозиция (сложение, смесь) семи цветов радуги бесцветна — это белый цвет. Но, кроме палитры семи цветов, качество белого цвета может быть достигнуто сложением трех, называмых основными, цветов: красного, зеленого и синего. Это свойство нашего зрения используют художники в живописи и инженеры в технологии цветного телевидения (сигнал RGB: Red, Green, Blue).

Комбинация трех различных кварковых цветовых зарядов тоже белая, или бесцветная. Отсюда и аналогичное с оптикой название трех качеств кварков. Более того, выполняется правило бесцветности: реально существуют (в виде других элементарных частиц) только такие комбинации кварков и антикварков, которые бесцветны.

Прежде всего кварковая гипотеза следующим образом объяснила строение «ядерного вещества». В состав протона входят три кварка duu, а нейтрон построен из кварков udd (рис. 33).

Рис. 33. Кварковая модель строения протона и нейтрона

Сумма зарядов составной частицы здесь равна сумме зарядов составляющих ее кварков, с учетом знаков электрических зарядов получаем плюс единицу для протона и ноль для нейтрона. В последнем случае нейтральность есть следствие равенства положительно и отрицательно заряженных составляющих.

Каждому кварку соответствует антикварк, так что в структуру антинейтрона будут включены антикварки udd, несущие, соответственно, заряды минус две трети и два по плюс одна треть. В сумме снова нейтральность, но очевидно различие зарядовой структуры сравниваемых частиц. Отсюда становится понятна и нетождсствснность антинейтрона и нейтрона, несмотря на одинаковость их общего электрического заряда.

Сразу же отметим, что входящие в состав протона пара кварков UU, и пара кварков del — это пары разноцветных кварков, а в целом и протон и нейтрон являются бесцветными, или белыми.

Важным неотъемлемым свойством всех микрочастиц является наличие у них собственного механического (вращательного) момента, его называют спин (от английского to spin — вращать). Это свойство векторное, имеющее направление в пространстве. В трехчастичных структурах протона и нейтрона два спина компенсируют друг друга, так что эти частицы имеют общее суммарное спиновое число, равное V2.

Группа элементарных частиц, относимых к семейству мезонов, имеет значение спинового квантового числа, равное нулю. Исходя из этого можно ожидать, что мезоны должны содержать две структурные составляющие, так что их спины будут направлены в противоположные стороны и скомпенсированы.

Как видно из данных табл. 6, мезоны могут нести целочисленные значения положительного и отрицательного зарядов. Но как построить модель мезонов только из двух кварков? Ясно, что целочисленные значения суммы при этом не могут быть достигнуты.

Гелл-Манн и Цвейг предложили кварковую модель мезонов строить из комбинаций «один кварк — один антикварк» (рис. 34).

Рис. 34. Кварковые модели строения пи-мезонов

В этом случае легко получаются необходимые целочисленные электрические заряды, положительные и отрицательные.

Напомним, что антикварки имеют антицветовые заряды. Поэтому для достижения белого состояния, например для пи-плюс-мезона, вариант цветовых зарядов должен быть такой: «красный и кварк, антикрасный d антикварк». Для модели нейтрального пи-мезона была предложена более сложная комбинация:

С точки зрения квантово-волновых представлений это возможно — как суперпозиция кварковых стоячих волн, знак минус может быть интерпретирован как сложение волн в противофазе.

Очень изящно кварковая гипотеза объяснила наличие в мире элементарных частиц так называемого декуплета гиперонов (рис. 35). В центре группы находится гиперон, в состав которого входят три типа кварков. По вершинам группы расположены гипероны, построенные из кварков одного типа: либо d, либо и, либо S. Промежуточные комбинации расположены по сторонам треугольника. Таким образом, гипотеза кварков имела несомненные успехи в теоретическом объяснении многих экспериментальных фактов. Тем не менее, по воспоминаниям Дж. Цвейга, она встретила недоверие такой степени, что один из видных физиков США назвал гипотезу кварков «выдумкой шарлатана».

Рис. 35. Кварковые модели строения гиперонов

Признать кварки реальными частицами, а не объектами комбинаторики дробей на бумаге, мешали психологические барьеры. Во-первых, это дробные заряды — непривычно и физикам, и химикам. Во-вторых, непривычное представление о суперпозиции структур (см. выражение 13). В-третьих, это так называемое невылетание кварков из составных частиц, их сильное удержание (пленение), при котором не было обнаружено следов одиночных кварков.

Последнее очень важно для экспериментаторов. Истинность научных гипотез проверяется на практике, гипотеза, по определению, — это научное предположение, выдвигаемое в форме научных понятий с целью связать различные эмпирические знания в единое целое либо выдвигаемое для объяснения какого-либо явления, фактов и требующее проверки на опыте для того, чтобы стать достоверной научной теорией.

Обычно новая частица открывалась при наблюдении се следов (треков) в специальных камерах, по срабатыванию счетчиков или других способов регистрации индивидуального действия частицы на приборы. Реальны ли частицы, которые не создают индивидуального действия, индивидуальных треков и т. д. Не впадают ли физики в мистицизм?

Признать кварки реальными частицами помогли опыты по рассеянию электронов очень высоких энергий (2000 МэВ) на протонах. Идейно опыты были похожи на рассеяние альфа-частиц на ядрах атомов (см. рис. 36), но в данном случае вместо одного ядра были три кварка.

Если положительный заряд равномерно распределен в протоне, то электроны столь высокой кинетической энергии будут рассеиваться вперед и только под малыми углами. Если же в составе протона есть локальные, электрически заряженные составляющие, то возможно рассеяние на большие углы и назад.

Рис. 36. Схема зондирования протонов электронами

Опыты, выполненные на ускорителе Стэндфордского университета, показали, что очень часто электроны рассеиваются на большие углы. В отличие от рассеяния на одном заряде в опытах Резерфорда, в данном случае рассеяние электрона происходило на трех точечных зарядах и вклады процессов рассеяния на каждом из них перекрывались. Поэтому только после тщательных измерений угловых и энергетических распределений рассеянных электронов удалось выделить вклады отдельных центров рассеяния и определить величину их зарядов. Заряды оказались дробными и соответствующими гипотезе кварков.

Существует и другая возможность проверки наличия кварков в составе нуклонов. Она связана с использованием нейтрино. Эти частицы могут легко проникать в протоны или нейтроны и реагировать с одним из кварков. В результате реакции с участием нейтрино могут рождаться электрон или мюон. А эти частицы заряжены отрицательно, и их легко можно идентифицировать в эксперименте. Исследования рассеяния нейтрино на нуклонах привели к выводам, полностью согласующимся с результатами опытов по рассеянию электронов на протонах. Только после этих решающих экспериментов кварки были признаны в естествознании как реально существующие в природе.

Первоначального количества кварков (трех) оказалось недостаточно для объяснения последующих результатов экспериментов в области высоких энергий сталкивающихся частиц, поэтому в настоящее время семейство включает шесть кварков (табл. 8).

Таблица 8.

Семейство кварков

В течение почти сорока лег после появления гипотезы кварков в физике элементарных частиц полагали, что комбинации кварков и антикварков по три и два исчерпывают вес возможности.

Однако, уже в XXI веке появились теоретические работы группы российских теоретиков, предсказавших возможность и других вариантов объединения кварков. В частности, П. Дьяконовым и его учениками были рассчитаны условия, при которых возможно появление элементарных частиц, состоящих из пяти кварков.

Рис. 37. Структурные уровни микромира.

Эта комбинация отвечает своеобразной кварковой «молекуле», состоящей из одного мезона и одного бариона. Столь экзотическую возможность образования (правда, очень кратковременного) мезо-бариона подтвердили две группы исследователей — одна в США, другая в Японии. Ведутся поиски «молекул» из двух мезонов и двух барионов, так что история кварков продолжается и в наши дни.

В конечном счете схема организации структурных уровней вещества на уровне микромира приобрела вид, показанный па рис. 37.

Были предприняты попытки теоретически представить кварки составными системами и выделить в их составе некие дополнительные частицы, еще более элементарного уровня (например ришоны, стратоны, прсоны и т. д.). Однако вес усилия оказались безрезультатными. Поэтому семейства лептонов и кварков в настоящее время считают единственными представителями фундаментальных частиц вещества. Из них построено все остальное разнообразие объектов микромира.