Кварки

Как были открыты три поколения кварков? Какие теории описывают взаимодействие частиц? Какими свойствами обладают кварки? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук Дмитрий Казаков.

Загадочное слово «кварк»… Звучит непонятно и этим самым привлекает. Слово на самом деле появилось в романе Джеймса Джойса «Улисс», там даже было стихотворение, которое называлось «Три кварка для мистера Марка». Что эти кварки означали — было непонятно, но слово понравилось, и когда в 60-е годы ученые занимались построением теории элементарных частиц (а под элементарными частицами в то время понимали в основном то, что мы сейчас называем барионы или мезоны; типичный представитель — это протон или нейтрон, которые образуют атомное ядро), а их в то время было очень много, то эти кварки пришлись ко двору, и их стали использовать.

Стал их использовать и придумал эту схему американский физик Мюррей Гелл-Манн, он лауреат Нобелевской премии, очень известный человек. И был еще второй человек, звали его Цвейг. Он использовал другое слово — «тузы», он их называл тузами. Но «тузы» не, видимо, прижились, «кварк» оказалось более красивым словом.

Что же такое кварки? Природа, как нам сейчас кажется и что мы пока понимаем, построена по принципу русской матрешки. Есть несколько слоев. Мы открываем каждый раз новый слой и там появляется что-то новое. Есть атом, в атоме есть атомное ядро, ядро состоит из протонов и нейтронов. Когда-то думали, что протоны и нейтроны и есть элементарные частицы. Потом оказалось, что таких частиц гораздо больше. Сначала в космических лучах, потом на ускорителях стали открывать все новые и новые частицы, их образовалось несколько десятков, и возникло желание как-то их проклассифицировать, создать что-то наподобие таблицы Менделеева, чтоб были какие-нибудь ряды, колонки, и все эти частицы занимали свои места в этой таблице.

Оказалось, что можно этого добиться, если предположить, что все частички состоят из неких составляющих, то есть что «матрешка» идет дальше вглубь. Что протоны, нейтроны, ка-мезоны, ро-мезоны и так далее, — те частицы, которые наоткрывали, — состоят из еще более мелких составляющих, которые вот и предложили назвать словом «кварк».

В то время казалось, что для того, чтобы составить все частицы, достаточно всего трех таких вот «кирпичиков». Эти «кирпичики» получили три названия: верхний, нижний и странный, u, d и s (от английских слов up, down и strange).

Как строятся частички из этих самых кварков? Очень просто. Например, протон: берем два u-кварка и один d-кварк; uud — это протон. Нейтрон: берем udd — это нейтрон. Можно взять uuu, можно взять ddd, можно взять uus, можно uds — в общем, перечисляются все возможные комбинации. И оказалось, что все известные частицы можно построить из этих трех, то есть все, что мы знали до сих пор, можно построить из этих трех комбинаций. Всего из трех составляющих можно было построить весь мир элементарных частиц. И это было замечательно.

Но это была не просто игра в кубики, за этими кубиками стояла некая математическая конструкция. Она труднообъяснима, называется это «теория групп». Эта теория говорила о том, что все частицы должны образовывать такие «семейства». Эти семейства могли состоять из трех частиц, из восьми частиц, из десяти частиц; и оказалось, что все элементарные частицы, которые к тому времени были открыты, очень хорошо укладывались в эти «семейства». Тем самым мы даже получили некоторые незанятые места в «семействах», и потом они были открыты. Этот путь построения частиц получил название «восьмеричный путь», связано как раз с теорией групп — это я, пожалуй, не буду объяснять.

Все было так прекрасно до тех пор, пока в 1974 году не была открыта некая новая частица, которая в эту схему не укладывалась.

Сначала было много шума и непонятного, а потом оказалось, что для того, чтобы ее объяснить, пришлось придумать еще одну частицу, еще один кварк, четвертый. Получилось четыре кварка. То есть от замечательного стихотворения «Три кварка у мистера Марка» пришлось немного отойти, пришлось вводить четвертый кварк.

Более того, когда физики пытались построить теорию, которая описывает не просто наличие частиц, а описывает их свойства, их взаимодействие, их взаимные превращения, то три кварка оказались неудачной комбинацией. Например, некоторые распады частиц, которые в природе почему-то не происходят, в этой теории, наоборот, должны были хорошо происходить. И когда это все анализировали, поняли, что если бы было четыре кварка (вообще четное число было кварков), тогда бы все как раз получалось как нужно, как раз эти распады были бы запрещены, и вся природа бы укладывалась. Поэтому о четвертом кварке говорили раньше. В 1974-м году открыли частицу, кварков стало четыре, и все были счастливы, и все работало хорошо.

Но через некоторое время открыли пятый кварк, пятую частицу. Кстати сказать, четвертый кварк получил название «очарованный кварк» или, по-английски, charmed, с-кварк. Этот «очарованный кварк» породил целую «физику очарования», или «очарованную физику». А потом открыли пятый кварк, котрый получил название b-кварк, от слова bottom или beauty, то есть «прелестный» или «прекрасный». И появилась «прелестная физика».

Кварков стало пять. И опять возникла проблема с переходами одних частиц в другие. Понятно, дорога была уже проторена, все начали говорить: «Значит, должен быть шестой». Стали искать шестой. И в конце прошлого века был найден шестой кварк, его назвали t, от top, или truth, и появилась система из шести кварков. Теперь мы говорим, что их шесть.

Но когда их стало шесть, стало можно думать уже не просто о том, что все частицы из них строятся, можно было уже думать о собственной классификации самих кварков, раз их шесть. И тут оказалось очень любопытное свойство, что эти кварки группируются в пары: первая пара — это u- и d-кварки, которые с самого начала были, вторая пара — это c- и s-кварки, и третья пара — это top и bot. Эти пары кварков, оказалось, обладают абсолютно идентичными свойствами — каждая пара. Единственное, что их отличает — каждая следующая пара тяжелей предыдущей. А в остальном они абсолютно одинаковы.

И тогда родилась идея, что на самом деле мы имеем дело с тем, что получило название «поколение». Может быть, не самое удачное слово, иногда используют слово family, то есть «семья». Как бы есть три семьи, три поколения: первые кварки — это первое поколение, вторая пара — второе поколение, третья пара — это третье поколение, и они абсолютно идентичны, только одно поколение старше другого. На языке физики «старше» означает в данном случае «тяжелее». То есть, есть три поколения, и возникает вопрос: почему, собственно, нужно три поколения?

Из чего состоит мир, который мы с вами видим? Он состоит из протонов и нейтронов, больше ничего нет. Есть еще электрон, но про электрон я пока не говорю, я говорю про кварки. Так вот, есть протон и нейтрон. А зачем понадобилось еще два кварка? А потом еще два кварка? Эта загадка остается. Весь видимый мир, то, что мы с вами видим, на чем мы сидим, где мы ходим, воздух, которым мы дышим, вообще все, что мы наблюдаем вокруг себя: звезды, что хотите — состоит из двух кварков. Точнее говоря, состоит из протонов и нейтронов, которые сделаны из двух кварков.

Кстати сказать, очень интересно, какие свойства у этих кварков. Вот, скажем, у протона есть электрический заряд. В единицах электрона это заряд +1. У нейтрона заряда нет. У кварков, если они образуют протоны и нейтроны, должен быть электрический заряд, чтобы в сумме получился нужный заряд. Поскольку протон состоит из трех кварков, то естественно предположить, что электрический заряд кварка кратен одной трети. Вот так мы и выбираем: электрический заряд u-кварка — 2/3, d-кварка — -1/3. Значит, протон как получается — uud: 2/3 + 2/3 — 1/3 — получается +1. А как нейтрон делается — udd: 2/3 — 1/3 — 1 — получается 0.

Все барионы — это сильно взаимодействующие частицы, имеющие полуцелый спин, то есть спин ½, 3/2, и так далее — состоят из трех кварков.

Каждый кварк имеет спин ½, вот из трех этих самых половинок набирается полуцелый спин бариона. И соответственно, мы всегда строим комбинации из трех кварков. А мезоны имеют спин 0, поэтому они строятся из двух кварков: скажем, со спином либо +½, либо -½. Например, известный π-мезон (π-мезон — это переносчик ядерных сил) имеет спин 0, а заряд у него бывает либо +1, либо -1, либо 0. Он состоит из двух кварков. Как это сделать? Например, взять ud, u или анти-d… У всех частиц есть анти-частицы; так же и у кварков есть античастицы. Античастицы имеют противоположный электрический заряд. Если мы возьмем, скажем, u-кварк и анти-d-кварк: u-кварк — это заряд 2/3, у d-кварка — -1/3; соответственно, у анти-d — +1/3; значит, 2/3 + 1/3 получается 1. Вот получается π+ мезон. И так все остальное.

Вот таким образом из кварков с дробными зарядами строятся все наблюдаемые элементарные частицы, как барионы, так и мезоны.