Кварки. Великое объединение

В начале 60-х годов к нескольким элементарным частицам, которые физики считали составными частями атома, добавилось еще около 200… Это повергло ученых в уныние. Пытаясь найти выход из создавшегося положения, ученые стали разрабатывать теории, в которых предполагалось, что большинство известных элементарных частиц построены из субчастиц. Они и были признаны истинно элементарными.

Одной из таких теорий, которая впоследствии получила всеобщее признание, является гипотеза кварков. Она была предложена в 1964 г. Марри Геллманом, профессором Калифорнийского технологического института, и независимо Джоржем Цвейгом, молодым сотрудником того же института. В свете этой теории протон и нейтрон представляют собой различные комбинации двух типов кварков (так называемых «ароматов»), обозначаемых латинскими, буквами u и d. Эти обозначения происходят от английских слов up и down (что значит «верх» и «низ») и связаны с определенными квантовыми характеристиками кварков. Нейтрон и протон состоят из трех кварков: протон — из uud, а нейтрон — из udd; u-кварк имеет электрический заряд ²/₃, d-кварк —¹/₃. Эти комбинации кварков как раз и дают заряд протона, равный 1, и нейтрона — 0.

Чтобы объяснить строение странных частиц, был введен третий s-кварк (от английского слова strange, что значит «странный»). Странные частицы не могут превращаться в протоны и нейтроны, поэтому для их характеристики Геллман ввел в 1953 г. новое квантовое число — странность, он же открыл закон сохранения странности.

Согласно кварковой модели, мезоны также являются составными частицами, состоящими из кварка и антикварка.

Названные выше частицы относятся к группе адронов (их модель предложил в 1969 г. Дж. Цвейг), которые участвуют в сильных взаимодействиях. Таким образом их большое разнообразие удалось свести всего к трем типам кварков. Кроме них к числу истинно элементарных частиц (т. е. не имеющих внутренней структуры) относятся так называемые лептоны: электрон, мюон, а также электронное и мюонное нейтрино. Гипотеза кварков ознаменовала собой начало нового этапа в развитии физики микромира. Ее значение столь же велико, как и открытия структуры атома в начале века. Экзотическое название quark («кварк») было заимствовано Геллманом из книги известного английского писателя Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Между прочим, в английском и немецком языках название «кварк» имеет особый вид простокваши[4].

Создание кварковой модели с самого начала произвело огромное впечатление, и большинство физиков не сомневались, что присуждение Геллману Нобелевской премии — это лишь вопрос времени. Тем не менее в Стокгольме не торопились, и лишь через 5 лет, в 1969 г., Геллману была присуждена Нобелевская премия по физике.

Еще в 1964 г., когда Геллман и Цвейг постулировали существование 3 кварков, Джеймс Бьёркен и Шелдон Глэшоу предложили дополнить систему Геллмана — Цвейга четвертым кварком, который дал возможность строить новые комбинации и описывать состояние новых частиц. Введение еще одного кварка позволило разрешить многие проблемы, мучившие теоретиков, и, быть может, именно испытываемое чувство удовлетворения побудило физиков назвать связанное с этим кварком новое квантовое число очарованием. Сам же кварк был назван очарованным; он обозначается латинской буквой с (от английского charm, что значит «очарование»). Одним из следствий введения с-кварка явилось предсказание существования нового типа мезонов, состоящих из с-кварка и соответствующего антикварка. Эти частицы, относящиеся к группе адронов, были открыты в 1974 г. одновременно двумя группами исследователей.

Одна из групп, возглавляемая профессором Массачусетского технологического института Сэмюэлом Тингом, после нескольких лет исследования открыла частицу, которая была названа джи-частицей. Открытие было сделано при изучении процессов взаимодействия гамма-излучения с веществом (т. е. с адронами) и адронов с адронами. При этом образуется пара электрон — позитрон. В частности, эксперименты, проведенные весной 1974 г., в ходе которых исследовалось взаимодействие протонов с атомными ядрами мишени, указывали на возможность существования массивной частицы с эквивалентной энергией 3.1 ГэВ (1 ГэВ = 10⁹ эВ). Для сравнения можно сказать, что выраженная в единицах энергии масса пи-мезона составляет 140 МэВ, а протона — 939 МэВ.

Параллельно в Станфордеком университете (шт. Калифорния) работала группа под руководством Бертона Рихтера. На большом линейном ускорителе исследовалось образование адронов при столкновении позитронов и электронов больших энергий. При энергии порядка 3.2 ГэВ была открыта частица, которая распадалась на нуклоны. Рихтер назвал ее пси-частицей.

Так, в результате работы двух групп в науку вошла новая частица. Обе группы опубликовали свои результаты одновременно — в декабре 1974 г. Было установлено, что частица относится к классу мезонов и состоит из с-кварка и его античастицы. Вскоре было открыто несколько видов таких частиц, и они получили общее название «пси-частицы». Она состоит из двух кварков, связанных так же, как позитрон и электрон в позитронии. Оказалось, что эта частица относится к новому семейству частиц, получивших название «очарованные». Позитрон и электрон связаны в атоме позитрония электромагнитным взаимодействием, которое описывается в квантовой электродинамике. Два кварка в очарованной частице связываются посредством так называемого цветного взаимодействия, которое изучается квантовой хромодинамикой. Новая квантовая характеристика «цвет» была введена, Геллманом и Цвейгом, чтобы удовлетворить принципу Паули. (Разумеется, здесь цвет является лишь условным, наименованием, используемым для «маркировки» кварков, и не имеет ничего общего с обычными цветами).

Согласно этому принципу, две (или более) тождественные частицы с полуцелым спином, входящие в одну физическую систему, не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Однако предсказанная Геллманом теоретически и впоследствии обнаруженная экспериментально частица омегаминус-гиперон, состоящая из трех s-кварков, оказалась именно такой системой. Чтобы спасти положение, ввели новое квантовое число — цвет. Если принять, что три s-кварка отличаются по цвету, то все становится на свои места.

Цвет можно рассматривать как аналог электрического заряда. Считается, что кварки связаны между собой специфическим цветным взаимодействием, носителем которого является частица, названная глюоном (от английского glue, т. е. «клей»). По аналогии с квантовой электродинамикой эта новая область квантовой теории поля получила название квантовой хромодинамики.

Открытия Рихтера и Тинга явились убедительным свидетельством в пользу гипотезы кварков и хромодинамики. Поэтому уже в 1976 г. Нобелевский комитет присудил этим двум исследователям премию по физике. Таким образом, награждение состоялось спустя менее двух лет после опубликования результатов исследований.

Какова же современная картина классификации элементарных частиц? Выяснилось, что к четырем уже названным кваркам следует добавить еще b-кварк (от англ. beauty, что значит «красота») и t-кварк (от англ. truth— «истина»). Эти шесть кварков различаются между собой по характеристикам, называемым ароматами, и группируются в три семейства, причем каждое из них встречается в трех цветах: красном, желтом и синем. Шесть «ароматов» по три цвета составляют, таким образом, 18 элементарных частиц; кроме того, существует семейство лептонов, куда входят электрон, мюон и тау-частица, а также электронное, мюонное и тау-нейтрино, т. е. лептонов всего шесть. Если их добавить к 18 кваркам, то фундаментальных частиц становится 24, а с учетом их античастиц — 48. Это, пожалуй, слишком много, чтобы их можно было считать совершенно элементарными.

Разрабатываются новые модели, согласно которым даже эти частицы состоят из субчастиц. Но эти модели весьма гипотетичны, поскольку в настоящее время наука не располагает экспериментальными данными, которые могли бы подтвердить или опровергнуть их. Гигантские ускорители уже достигли предела своих возможностей, а строительство еще более мощных — очень трудное и дорогостоящее дело. Это побуждает физиков обратить взгляд в космос. Во Вселенной вещество может находиться в таких состояниях, когда проявляются его фундаментальные свойства. Может быть, внимательно прислушиваясь к сигналам, идущим из Вселенной, мы получим возможность понять нечто большее о мире, в котором живем.

Связь исследований микромира с изучением Вселенной — одно из самых поразительных явлений в современной физике. Это — поистине замечательное объединение.

В современной физике на повестке дня стоят и другие объединения. Речь идет о силах, действующих в окружающем нас мире. Еще в XVII в. Ньютон описал гравитационное взаимодействие, управляющее движением небесных тел. В XIX в. Максвелл объединил электричество и магнетизм, создав единую теорию электромагнитного взаимодействия. В 30-е годы нашего столетия, после открытия нейтрона, заговорили о сильном (ядерном) взаимодействии, связывающем нуклоны в атомном ядре, а исследования бета-распада привели к понятию слабого взаимодействия. Стали предприниматься попытки их объединения.

Альберт Эйнштейн 35 лет своей жизни посвятил созданию единой теории электромагнитного и гравитационного взаимодействий. Он начал свою работу тогда, когда еще не были известны другие виды взаимодействий, существующие в микромире. Эйнштейн не достиг успеха. Однако в последнее десятилетие другие исследователи сумели объединить электромагнитное и слабое взаимодействия, создав единую теорию электрослабого взаимодействия. Над этой проблемой работали многие ученые, среди которых выделяются имена Стивена Вайнберга, Шелдона Глэшоу и Абдуса Салама — лауреатов Нобелевской премии по физике за 1979 г.

Попытки создать теорию слабого взаимодействия ученые стали предпринимать в 50-х годах — после того, как Ричард Фейнман, Юлиус Швингер и Синъитиро Томонага создали современную квантовую электродинамику. К 1948 г. независимо друг от друга они разработали теорию, связывающую квантовую механику с релятивистскими представлениями, которая позволила объяснить экспериментальные результаты, полученные в спектроскопии и других исследованиях атомов. В частности, японский физик Томонага создал в 1946 г. теорию, математический аппарат которой давал возможность довольно точно рассчитывать процессы электромагнитного взаимодействия электронов и фотонов.

Американский физик Р. Фейнман известен не только работами в области квантовой электродинамики, но и знаменитыми диаграммами Фейнмана, которые позволяют наглядно объяснить возможные превращения частиц.

Ю. Швингер из Гарвардского университета вычислил аномальный магнитный момент электрона и объяснил так называемый «лэмбовский сдвиг» в спектре водорода, открытый Уиллисом Лэмбом — одним из лауреатов Нобелевской премии по физике за 1955 г. Ю. Швингер был учителем Шелдона Глэшоу, о котором речь пойдет дальше.

За создание релятивистской квантовой электродинамики Фейнман, Швингер и Томонага были удостоены в 1965 г. Нобелевской премии по физике.

После того как эта задача в общих чертах была решена, ученые занялись слабыми взаимодействиями. К 1958 г. благодаря работам Ричарда Фейнмана, Марри Геллмана, Роберта Маршака и Эннакала Ченди Джорджа Сударшана была разработана универсальная теория слабых взаимодействий. Еще тогда, возвращаясь к некоторым идеям Ферми 30-х годов, Швингер высказал мысль о возможности объединения слабых и электромагнитных взаимодействий. Примерно к тому же периоду относятся и первые работы А. Салама, С. Вайнберга и Ш. Глэшоу.

В современных теориях ядерных взаимодействий квантовые представления приводят к выводу о существовании объектов двух классов частиц вещества и частиц — квантов поля, которые переносят взаимодействие. Еще Юкава, теоретически предсказавший существование квантов сильного взаимодействия, пытался ввести подобные представления и для слабого взаимодействия. Работы Янга Чжэньнина и Роберта Миллса (1954 г.) позволили развить эту идею дальше. Теперь решением проблемы занялись многие ученые, ив 1961 г. Шелдон Глэшоу сумел создать теорию слабого взаимодействия. Помимо описания слабого взаимодействия стало возможным установить его связь с электромагнитным взаимодействием. В электродинамике взаимодействие передается нейтральным фотоном. Согласно новой объединенной теории, электрослабое взаимодействие передается четырьмя частицами, три из которых (два так называемых промежуточных векторных бозона и один нейтральный бозон) имеют довольно большую массу, а четвертой является фотон. Необходимость большой массы частиц — переносчиков слабого взаимодействия вытекает из того, что это взаимодействие осуществляется на очень коротких расстояниях, тогда как не имеющий массы фотон обусловливает дальнодействующее электромагнитное взаимодействие. Но чтобы подтвердить экспериментально существование бозонов, необходимы сверхмощные ускорители. В ряде известных научных центров началось их конструирование, и некоторые из них вступят в строй в ближайшие годы. Одновременно физики и инженеры, стремясь расширить возможности уже существующей техники, приступили к ее усовершенствованию.

Еще в 60-е годы советский физик Герш Ицкович Будкер, работавший в Институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР указал, что возможности ускорителя существенно возрастут, если вместо бомбардировки ускоренными частицами неподвижной мишени использовать соударение встречных пучков частиц; в частности, он предложил использовать столкновение протонов с антипротонами. Главная проблема при этом состояла в получении достаточно однородных пучков частиц, движущихся с одинаковой скоростью. В 1956 г. голландский инженер Симон Ван дер Меер, работавший в ЦЕРН (Европейский центр ядерных исследований), сконструировал датчики, которые позволяли следить за состоянием потока частиц. При возникновении каких-либо неоднородности в пучке немедленно производится соответствующая корректировка режима ускорителя и таким образом достигается однородность пучков. Проект начал претворяться в жизнь в 1978 г., когда итальянский физик Карло Руббиа предложил использовать для этой цели сооружающийся большой ускоритель протонов (протонный суперсинхротрон), важным элементом которого стал накопитель, разработанный Ван дер Меером.

С помощью этой аппаратуры через несколько лет. подготовительных работ наконец удалось добиться желаемого успеха. В январе 1983 г. были обнаружены промежуточные векторные бозоны W⁺ и W^— а в мае удалось зарегистрировать и нейтральные Z⁰-бозоны, которые наблюдаются в десять раз реже. В подготовке и проведении этого сложнейшего эксперимента участвовало несколько десятков человек: физиков, инженеров и техников, однако особый, принципиальный вклад внесли в нее Карло Руббиа, который спланировал и привел в движение весь проект, и Симон ван дер Меер, сконструировавший необходимую аппаратуру. В 1984 г., менее чем через полтора года после открытия, эти два ученых были удостоены Нобелевской премии по физике.

Объединенная теория слабого и электромагнитного взаимодействий возвестила о новом этапе в развитии современной физики, отмеченном стремлением к унификации различных представлений и открытию более фундаментальных свойств материи. Разработка объединенной теории позволит углубить наши знания о кварках. Следующим этапом развития физики микромира должно стать создание единой теории сильных и электрослабых взаимодействий.

В более, отдаленном будущем ученые надеются создать общую теорию, в которой должны слиться воедино электромагнетизм, гравитация, сильное и слабое взаимодействия, таким образом, возможно, удастся осуществить мечту Эйнштейна о великом объединении всех сил природы.

Новые представления о строении частиц и их взаимодействии позволили внести ясность в вопрос о симметрии в микромире. Длительное время считалось, что физическое взаимодействие характеризуется так называемой пространственной четностью, т. е. оно симметрично по отношению к операции зеркального отражения; иными словами, если изменить направление движения всех объектов на противоположные (взять зеркальное отражение процесса), то ничего не изменится. Это интуитивное представление было разрушено в 1956 г., когда Ли Цзундао и Янг Чжэньнин показали, что в. слабых взаимодействиях пространственная четность нарушается.

Другим типом симметрии, который физики принимали, исходя из интуитивных соображений, была симметрия между частицами и античастицами, называемая симметрией относительно операции зарядового сопряжения. Предполагалось, что, если в ядерной реакции все частицы заменить их античастицами, то конечный результат не изменится. Экспериментальные данные, однако, опровергли и это мнение. Тогда, чтобы спасти положение, теоретики предположили, что в слабых взаимодействиях сохраняется комбинированная четность[5], т. е., чтобы законы симметрии здесь выполнялись, необходимо вместе с зеркальным отражением произвести замену всех частиц их античастицами, иначе говоря, совершить оба преобразования одновременно. И действительно, в этом случае результаты опытов подкрепляли теорию, и «духи» на некоторое время успокоились.

Выводы Ли и Янга базировались на данных распада K-мезонов. Решающая информация о так называемых тау- и тета-частицах, указывающая на их идентичность, была получена в 1956 г. Вэлом Фитчем из Принстонского университета. В 1961 г. этот же исследователь открыл нейтральный K-мезон, или, точнее, его античастицу. Эти два микрообъекта отличаются только одним из квантовых чисел — странностью. Согласно теории, получаемый пучок нейтральных K-мезонов должен состоять приблизительно из одинакового числа частиц и античастиц. В то время как имеющие малую продолжительность жизни нейтральные K-мезоны быстро распадаются на два пи-мезона, это, согласно закону сохранения комбинированной четности, не распространяется на их античастицы. Эксперименты такого рода были проведены в 1964 г. в Принстоне Вэлом Фитчем и Джеймсом Кронином. Поначалу экспериментальные данные согласовались с теорией, но затем в 0,2% случаев наблюдался распад более устойчивых античастиц.

Это было катастрофой для теории. Последний принцип симметрии— закон комбинированной четности — оказался нарушенным. Результаты Кронина и Фитча были оглашены в августе 1964 г. на XII Международной конференции по физике высоких энергий, происходившей в Дубне. Впоследствии были обнаружены и другие процессы, где нарушается пространственно-зарядовая симметрия. Стало очевидным, что открыто некое фундаментальное свойство слабых взаимодействий.

В соответствии с современными теориями, объясняющими электромагнитные и слабые взаимодействия обменом фотонами и бозонами, нарушение симметрии обусловлено именно последними (квантами слабого взаимодействия). Такое нарушение не могло получиться в системе из двух пар кварков (ud и sc), и поэтому в 1973 г. Кобаяси и Маскава предположили существование третьей пары кварков (bt). В 1975 г. был открыт тяжелый тау-лептон, состоящий из этой пары кварков, а в 1977 г. — ипсилон-мезон (У), состоящий из двух связанных b-кварков. Шестой t-кварк открыт летом 1984 г. в ЦЕРН той же группой исследователей, которая обнаружила промежуточные векторные бозоны. Он был замечен при распаде W-частиц.

Современная физика, ставящая своей целью объяснить все многообразие явлений в рамках одной теории, уже нашла взаимосвязь между нарушениями комбинированной четности и эволюцией Вселенной. Астрофизические исследования показывают, что во Вселенной практически нет антивещества. Встречающиеся единичные античастицы, по всей вероятности, имеют вторичное происхождение. Предполагается, однако, что на очень ранних стадиях возникновения Вселенной, когда только образовались частицы, число нуклонов и антинуклонов было почти одинаковым. Из этого «почти» и возник мир, в котором мы живем. Частицы и античастицы аннигилировали, в результате чего возникло излучение — фотоны. Если бы число античастиц и частиц было одинаковым, то во Вселенной сегодня не было бы вещества, а только одни фотоны. К счастью, мир «с самого начала» был слегка асимметричен. В свете подобных представлений приходится признать нарушение комбинированной четности.

Начало таким теоретическим рассуждениям было положено сенсационным открытием Фитча и Кронина в 1964 г. Нобелевский комитет по физике проявил в последние годы замечательную последовательность в своих решениях. В 1978 г. были награждены Арно Аллан Пензиас и Роберт Вудро Вильсон — за открытие реликтового фонового электромагнитного излучения, которое возникло еще в момент рождения Вселенной. В 1979 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Вайнбергу, Глэшоу и Саламу за создание объединенной теории слабых и электромагнитных взаимодействий, а в 1980 г. Нобелевскую премию получили Вэл Логсдон Фитч и Джеймс Уотсон Кронин за открытие нарушения комбинированной пространственно-зарядовой симметрии. Эти три открытия, сделанные в различных областях науки, — новые зернышки в мозаике, воссоздающей все более законченную картину мира.