Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Когда нейтрон ударяется о протонную мишень, он может превратиться в протон и пион. А иногда протон, который был мишенью, распадается на нейтрон и пион. Можем ли мы рассматривать нейтрон как комбинацию протона и пиона, а протон — как комбинацию нейтрона и пиона? Чтобы еще больше запутать все дело, столкновение иногда приводит к созданию третьего нуклона — при столкновении двух часов о таком результате думать не приходится.
Эти явления привели к появлению понятия ядерной демократии, в рамках которой все субъядерные частицы считаются в равной степени элементарными. Грубо говоря, мы утверждаем, что каждый тип адрона состоит из комбинаций остальных. Сторонники этого взгляда не видят нужды в существовании маленького набора предельных строительных кирпичиков, из которых могут состоять все адроны.
В пятидесятых-шестидесятых годах двадцатого века мы стали свидетелями взрыва популяции адронов. По мере ввода в эксплуатацию 156
в поисках кварка 156
ускорителей, обладающих все более и более высокой энергией, в осколках столкновений частица-частица открывалось все больше адронов, причем они становились все более тяжелыми. В наше время известно около 200 адронов. Хотя большинство физиков согласились бы, что все эти частицы являются в равной степени элементарными, они также согласились бы и с тем, что все эти частицы, вероятно, вообще не являются элементарными.
Среди адронов появились некоторые модели. Правила, которым они подчиняются, были выдвинуты в 1961 году в рамках теории, названной «восьмеричным путем», которая требовала объединения адронов в четко определенные семейства. Согласно этим правилам все известные адроны объединяются в семейства, состоящие либо из одного члена, либо из восьми членов, либо из десяти членов.
Быть может, адроны вообще не элементарны, а состоят из более простых частиц. В 1963 году Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг предположили, что такие адронные составляющие существуют, и назвали их кварками, позаимствовав это название из непонятной строчки «Поминок по Финнегану»1 («Три кварка Мистеру Марку!»). Было принято, что барионы состоят из трех кварков; антибарионы — из трех антикварков, а мезоны — из одного кварка и одного антикварка. Ни одна другая комбинация кварков не соответствовала наблюдаемым частицам. На основе различных масс и электрических зарядов кварков их представилось возможным разделить на два типа, которые назвали и-кварками и d-кварками. Двух видов кварков оказалось достаточно для образования нейтронов и протонов. Все, что находится в обыденном мире, состоит исключительно из этих двух разновидностей кварков, а также из электронов.
Но специалисты по физике частиц знакомы и с другими видами материи. В пятидесятых годах двадцатого века в осколках, образованных столкновениями космических лучей, было открыто несколько адронов. Они выказывали необычайно продолжительное время жизни: на распад у них уходило больше времени, чем у большинства адронов, причем распадались они по-разному и всегда весьма удивительным образом. Скоро их назвали странными частицами. В настоящее время их постоянно создают и получают на больших ускорителях. Чтобы объяснить эти частицы, необходимо постулировать существование третьего вида кварка, странного кварка.
Таким образом, именно трех этих разновидностей кварков — и, d Hs— оказалось достаточно, чтобы создать все сотни адронов, кото-
1 Последний роман Джеймса Джойса. — Прим. пер. в поисках кварка
157
рые открывали до недавнего времени. В действительности, в этой теории сильнее всего смущал тот факт, что она превосходно работала. Количественные успехи, достигнутые этой теорией при описании деталей структуры адронов, намного превзошли то, что ожидали от столь наивной картины.
Однако существовала одна серьезная проблема: сам кварк обнаружен не был. Во многих лабораториях проводились детально разработанные поиски. Несмотря на умения экспериментаторов во всем мире и все их время, посвященное этим поискам, никто не видел ни одного кварка. Чтобы не отказываться от своего элегантного и полезного построения, физики-теоретики предложили замечательную новую теорию, согласно которой кварк невозможно увидеть в принципе. Его просто невозможно отделить от адрона, составляющей которого он является. Мезон, образованный кварком и антикварком, считается чем-то вроде магнита. Любая попытка отделить северный полюс магнита от его южного полюса обречена на неудачу. Разрежьте магнит пополам, и каждая его часть вновь станет полным магнитом с двумя полюсами: северным и южным. Точно также и любая попытка разделить составляющие мезона приводит к созданию нового кварка и антикварка. Вместо разделения кварков мы получим два мезона.
В поисках более глубоких уровней структуры материи мы сначала столкнулись с молекулами, состоящими из атомов, затем с атомами, состоящими из ядра и электронов, потом с ядрами, образованными адронами, и, наконец, с адронами, образованными кварками. Кварки кажутся действительно элементарными, ибо как мы можем изучить структуру частицы, которую мы не можем создать? Быть может, через невозможность обнаружения кварка природа дает нам знать, что мы достигли конца цепочки.
