1
Для этого нужно вернуться в далёкий 32-й год, когда после открытия нейтрона возникла стройная и простая картина строения материи: вещество состоит из атомов, атомы состоят из электронов и ядер, ядра — из нейтронов и протонов. Всё, что мы видим вокруг нас, мы можем описать с помощью четырех кирпичиков — четырех элементарных частиц. Четырех, потому что кроме протонов, нейтронов и электронов, существует ещё одна необычная частица — нейтрино. Природа, однако, устроила всё несколько сложнее, и выяснилось, что существуют ещё античастицы. Английский учёный Поль Дирак в свое время предложил знаменитое уравнение, описывающее электроны в атомах, у которого, однако, был недостаток — решения с отрицательной энергией. Дирак предложил ассоциировать эти решения с новыми, никому не известными частицами — античастицами, которые отличались бы от обычных частиц противоположным зарядом. Поскольку ничего подобного обнаружено на тот момент не было, никто в эту гипотезу не поверил. Однако Дирак оказался прав: в 1932 году была открыта первая античастица — антиэлектрон, и с этого времени воцарилась вера в абсолютную симметрию законов природы относительно материи и антиматерии, хотя антиматерии вокруг нас почти нет. Она возникает на короткое время в результате взаимодействия частиц материи и быстро аннигилирует.
2
В 50-е и 60-е годы были открыты десятки элементарных частиц, и, естественно, возникли сомнения в их элементарности. В 1964-м году Гелл-Манн и Цвейг предположили, что элементарные частицы, а точнее адроны (так Лев Борисович Окунь, который работает в ИТЭФ, предложил называть частицы, участвующие в сильном или ядерном взаимодействии) состоят из кварков: либо из кварка и антикварка, либо из трех кварков. И все опять стало просто: всего два кварка — u и d — и соответствующие антикварки нужны для того, что бы описать всё, что мы видим вокруг нас.
3
Когда обнаружили первую «дополнительную» элементарную частицу, ее назвали «странной», потому что было странно, зачем она нужна и были странности в рождении и распадах странных частиц. Надо сказать, что странные частицы обнаружили задолго до возникновения гипотезы кварков, и я в своем описании строения материи в этом случае не следую хронологии открытий. Затем обнаружили ещё одну частицу, и её ученые назвали «очарованной» — charm (это строгий научный термин). Следующая получила название «прелестной» — bеаuty, а последняя была названа «истинной» — truth. К сожалению, последнее название не прижилось и шестой кварк стали называть top — «топ» (верхний). Конечно, в экспериментах наблюдались не кварки, а содержащие их частицы (адроны), которые, как и кварки, называются странными, очарованными и прелестными. Исключение составляет топ-кварк. Он живет так мало, что не успевает образовать адрон, и в эксперименте мы видим продукты распада одиночного кварка.
Итак оказалось, что природа создала три набора кварков, из которых только первый нужен для того, чтобы построить всё, что мы видим вокруг. Из u- и d-кварков состоят протоны и нейтроны. Электроны и нейтрино не участвуют в сильном взаимодействии и называются лептонами. А вот для чего нужны два других поколения кварков и лептонов, которые создала природа, совершенно непонятно.
4
Надо заметить, что внутри поколений кварки связанны очень тесно: константы связи велики. А вот между поколениями константы связи намного меньше. Между первым и вторым поколениями они меньше, чем внутри поколения, между вторым и третьим еще меньше, и самые маленькие константы связи между третьим и первым поколениями. Впервые константы связи между первым и третьим поколениями мы вместе с нашими иностранными коллегами измерили в международном эксперименте «ARGUS». Эта работа привела к появлению целого направления исследований — созданию, так называемых Фабрик Прелести (В-фабрик) — ускорителей для создания большого количества прелестных частиц. Об этом пойдет речь позже. Кстати, ARGUS — это аббревиатура от A Russian, German, United states and Sweeden collaboration (Российско-Немецко-Американо-Шведское сотрудничество). Это сотрудничество начиналось в конце семидесятых годов в разгар холодной войны. Но даже в это время ученые из разных стран прекрасно умели находить общий язык. И мне кажется, что такое сотрудничество внесло свой вклад в разрядку напряженности и в движение к открытому миру.
5
Возможным ответом на то, зачем нужны три поколения кварков и лептонов, являлась гипотеза японских физиков Кобаяши и Маскава, что различие свойств материи и антиматерии может быть описано в рамках модели, где есть три поколения. А это различие необходимо для нашего существования. Как показал в 1967 году академик Сахаров, если бы его не было, то вся материя и антиматерия проаннигилировали бы на ранних стадиях развития Вселенной, не оставив вещества, из которого строятся звёзды, планеты и мы с вами. Поэтому обнаружение такого различия и выяснение его механизма очень интересно для объяснения нашего существования. Оказалось, что Кобаяши и Маскава правы — основной механизм различия свойств материи и антиматерии связан именно с наличием трех поколений кварков и лептонов. Это выяснилось в экспериментах на В-фабриках при активном участии физиков из Института ядерной физики в Новосибирске и Института теоретической и экспериментальной физики в Москве.
6
К сожалению, за последнее время выяснилось, что упомянутого механизма различия свойств материи и антиматерии недостаточно для того, чтобы объяснить избыток материи во Вселенной, и поэтому мы активно ищем другие механизмы нарушения симметрии между материей и антиматерией. Сейчас существует стройная теория, которая описывает практически все явления в физике элементарных частиц — так называемая Стандартная Модель, хотя моделью её называют очень несправедливо. Это, пожалуй, самая совершенная теория, которую создавали люди. Однако, и в этой теории много неясного.
7
Зачем нужны три поколения частиц, до конца всё-таки неясно. Не ясна иерархия констант связей и масс этих частиц. Не ясно, есть ли еще другие поколения, кроме этих трёх. Неизвестно, существуют ли другие частицы, о которых мы не знаем. Не ясно, почему бозон Хиггса, только что открытый на Большом Адроном Коллайдере, такой легкий. Есть и другие важные вопросы, на которые Стандартная Модель не дает ответа.
Ответы на эти вопросы можно искать по-разному. Прямой способ — это попытаться произвести новые частицы на ускорителе. И сейчас ведутся эксперименты на Большом Адроном Коллайдере, где ищутся новые частицы и явления.
Другой способ — это очень точно измерять свойства частиц и пытаться найти эффекты новых частиц и явлений в распадах тех частиц, которые мы уже знаем, то есть виртуальные эффекты, которые не проявляются в виде прямого рождения новых частиц. Даже очень тяжелые новые частицы могут появиться на очень короткое время и тут же опять поглотиться (в соответствии с соотношением неопределенности Гайзенберга закон сохранения энергии может ненадолго нарушаться). Но даже этого мгновения существования может оказаться достаточно, чтобы заметно изменить свойства уже известных нам частиц. Особенно перспективно изучать свойства прелестных частиц, содержащих кварки третьего поколения.
Сейчас в Японии модернизируется «Фабрика B-мезонов» на которой было обнаружено различие свойств материи и антиматерии в случае прелестных частиц. После модернизации она будет производить почти в 100 раз больше В-Мезонов. Для экспериментов на В-фабрике конструируются очень сложные детекторы, в создании которых принимают участие ученые практически из всех ведущих стран мира, в том числе и из России.
Один из экспериментов на Большом адроном коллайдере также направлен на поиск неявных, виртуальных эффектов в распадах прелестных частиц — это эксперимент LHC-B (опять-таки «В» — это прелесть, beauty). В его создании также принимало участие большое количество ученых из России, и даже руководителем эксперимента довольно долго являлся российский ученый. Будем надеяться, что эти эксперименты внесут свой вклад в разгадывание загадки трех поколений и в поиск новых механизмов, обуславливающих различие свойств материи и антиматерии.
