Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
137
Рис. 4. Три из совокупностей частиц, предсказанных «восьмеричным путем». Отсутствующая частица О" была открыта в Брукхейвенской лаборатории в 1964 го-ДУ- 138
Что такое элементарная частица? 138
в центре состоит из одного и-кварка, одного d-кварка и одного s-кварка; а самая странная из всех частиц образована тремя s-кварками. (Я должен извиниться за названия кварков, которые придумал Гелл-Манн.) Почти вся материя, которая присутствует в комнате, состоит из кварков, за исключением небольшого остатка, образованного электронами. Нуклоны и мезоны, которые когда-то считали элементарными формами материи, сейчас считаются просто составными. «Элементарные частицы» далеко не элементарны, а их изучение свелось к своего рода химии: простая детская игра.
Протон состоит из двух и-кварков и одного d-кварка. Нейтрон образован двумя d-кварками и одним и-кварком. Отсюда следует, что кварки переносят дробные электрические заряды. U-кварк переносит заряд, равный 2/3, а d-кварк — заряд, равный -1/3. Если бы наблюдался изолированный кварк, то его характеристической и поразительной чертой был бы его дробный электрический заряд. Многие экспериментаторы искали дробно заряженный кварк. Помимо группы из Калифорнии, которая настаивает на том, что видит то, чего она видеть не должна, в лаборатории изолированный кварк никто не видел. Его не видели, да и увидеть его невозможно. Современная кварковая теория утверждает, что кварки невозможно создать по отдельности. Они существуют только как части одного целого и не могут существовать как самостоятельные частицы.
Например, представьте попытку убрать кварк из адрона, используя, допустим, кварк-штопор. Сила, удерживающая кварки вместе, не уменьшается с увеличением расстояния: чтобы убрать кварк, нужно растянуть пружину, которая в некоторый момент порвется. Когда это происходит, создается новая пара кварк-антикварк. В ходе этой процедуры нам не удается отделить кварк. Мы, скорее, создадим мезон.
Наконец, мы пришли к современным претендентам на право быть основными кирпичиками материи: к самой последней «периодической таблице», таблице кварков и лептонов. Четыре различные частицы необходимы, чтобы построить космический корабль Земля и его гигантскую электростанцию Солнце и управлять ими. Два вида кварков, и и d, образуют нейтроны и протоны. Вместе они представляют большую часть Солнца и Земли. Электроны, соединенные с этими совокупностями нейтронов и протонов, называемыми атомными ядрами, завершают образование атома. Наконец, в игру вступает неуловимое нейтрино. Несмотря на то, что оно не входит в состав атома, оно играет жизненно важную роль в процессе, известном как бета-распад. В ранней Вселенной благодаря бета-распаду появилась возможность синтеза из первичного водорода более тяжелых ядер. Кроме того, именно этот механизм дает Солнцу возможность разжигать свою ядерную печь, чтобы обогревать Землю и ее обитателей. Без нейтрино космический корабль Земля, если 139 что такое элементарная частица?
бы даже вообще существовал, был бы замороженным шаром, состоящим из твердого водорода, на котором не могла бы возникнуть жизнь. Всего четырех элементарных частиц оказалось достаточно, чтобы сотворить все чудеса нашего земного рая. Это два кварка с электрическими зарядами 2/3 и -1/3, один отрицательно заряженный электрон и сопутствующее ему нейтрино.
Четыре — число маленькое, но, к сожалению, все оказалось не так просто. Специалисты по физике частиц сделали большой скачок в сторону. Они обнаружили частицы, которые ни в коем смысле не являются составляющими обыкновенной материи. И эти любопытные частицы появлялись семействами, по своей структуре мучительно напоминающими первое семейство из четырех «существенных»1 частиц.
Гигантский скачок в сторону начался в 1938 году, когда в космических лучах была замечена новая частица. Во многом напоминающая электрон, за исключением того, что она в 200 раз тяжелее, эта частица сейчас известна как мюон. «Кто это заказал?» — вопросил Изидор Раби, услышав об этом открытии во время обеда в китайском ресторане, в тот момент еще не понимая, что мюон — это первый член будущего второго семейства элементарных кварков и лептонов.
При распаде нестабильные частицы часто создают электрон или мюон в сопровождении нейтрино. В 1961 году экспериментаторы из Брукхейвенской национальной лаборатории доказали, что нейтрино, сопровождающее мюон, отличается от нейтрино, сопровождающего электрон. За открытие мюонного нейтрино, второго члена второго семейства, в 1988 году Леон Ледерман, Мел Шварц и Джек Стейнбергер получили Нобелевскую премию по физике.
Некоторые частицы, которые впервые наблюдались в космических лучах в 1947 году, ведут себя очень своеобразно и известны как странные частицы. Сегодня мы знаем, что странная частица — это не что иное, как частица, содержащая странный кварк (s-кварк). Странный кварк просто-напросто представляет собой тяжелого родственника d-кварка. В отличие от и- и d-кварков, он не является необходимым компонентом земной материи. В 1963 году, когда Гелл-Манн изобрел понятие кварков, второму семейству недоставало только тяжелого родственника и-кварка. В таблице снова зияла брешь, могущая быть заполнена лишь частицей, которую еще только предстояло открыть. В 1964 году мы с Бьеркеном предположили существование очарованного кварка (с-кварка), но его открытия нам пришлось ждать целых десять лет.
