Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
кварка
Наука нередко развивается следующим образом. В лаборатории наблюдается удивительный эффект. Чтобы объяснить новое явление, необходимо расширить или усовершенствовать существующую теорию. Именно так наблюдаемые нерегулярности в движении планеты Уран привели к замечательному и правильному предсказанию новой планеты — Нептуна. Гальвани заметил, что отрезанная лапка лягушки дергается, если прикоснуться к ней скальпелем. Это привело к пониманию электрического тока и к построению первой электрической батареи Алессандро Вольта. Удивительные и достаточно непредсказуемые открытия рентгеновских лучей, радиоактивности и странных частиц также подходят под эту модель развития науки.
В редких случаях нормальный исторический порядок меняется на обратный, когда экспериментальному открытию предшествует теоретическое изобретение. Когда Менделеев создал свою периодическую таблицу химических элементов, он заметил в ней несколько пробелов. Он понял, что эти пробелы соответствуют химическим элементам, которые еще не открыты, и описал их ожидаемые физические и химические свойства. Несколько лет спустя предсказанные им элементы были найдены в природе и названы скандием, галлием и германием в честь стран, где они были обнаружены. Менделеева признали великим ученым, у которого хватило мужества выразить свои убеждения.
В 1961 году Мюррей Гелл-Манн и Юваль Нееман изобрели классификационную схему, которая во многом напоминала периодическую таблицу элементарных частиц. В этом так называемом «восьмеричном пути» частицы группировались простыми геометрическими массивами: шестиугольниками и треугольниками. И опять в одной из этих моделей присутствовал пробел, соответствующий еще не открытой частице. Не многие физики восприняли эту странную новую теорию всерьез. Однако в 1964 году экспериментаторы из Брукхейвенской национальной лаборатории, расположенной в Нью-Йорке, все же открыли частицу, предсказанную Гелл-Манном. Открытие «омега-минус» вынудило язычников поменять свои убеждения и сделало восьмеричный путь научной догмой. 188
Создание и открытие очарованного кварка
В настоящее время успех восьмеричного пути понимается через теорию кварков, а успех периодической таблицы химических элементов — через квантовую теорию структуры атома. Гелл-Манн сам ввел понятие кварков в 1963 году. (Независимо от него это сделал и Джордж Цвейг, который с тех пор стал нейробиологом.) Однако на всеобщее принятие этих идей ушло десять лет.
Гелл-Манн постулировал существование лишь трех видов кварков, которые должны были составлять все субъядерные частицы. Нейтроны и протоны образуют все атомные ядра, которые, в свою очередь, состоят из «и-кварков» и «сї-кварков»: протон содержит два и-кварка и один (і-кварк; нейтрон содержит один и-кварк и два d-кварка. Существуют также короткоживущие субъядерные частицы, состоящие из трех w-кварков или из трех (і-кварков.
Третий вид кварка необходим для создания странных частиц, поэтому он и называется «странным кварком» (s-кварком). Например, «лямбда-гиперон» содержит один s-кварк, один и-кварк и один (і-кварк; а «кси-минус гиперон» состоит из двух s-кварков и одного d-кварка. Знаменитая «омега-минус» образована тремя s-кварками.
Основные законы квантовой теории гласят, что мы можем сделать субъядерную частицу из любых трех кварков. Другая разновидность ядерных частиц, мезон, образована одним кварком и одним антикварком. Большая часть разнообразия субъядерной физики проистекает из существования трех различных видов кварков, которыми можно пользоваться.
В 1964 году, вскоре после изобретения кварков, мы с Джеймсом Бьеркеном заявили, что должна существовать четвертая разновидность кварков. Свой предполагаемый четвертый кварк мы назвали «очарованным кварком» (с-кварком). Лишь десять лет спустя в лаборатории была создана и замечена частица, содержащая очарованный кварк.
Мы опять рассуждали по принципу «периодической таблицы»: не таблицы элементов, не таблицы субъядерных частиц, а таблицы кварков и лептонов.
Некоторые элементарные частицы не состоят из кварков. Это как раз тот случай, когда была открыта первая элементарная частица — электрон. То же самое касается различных нейтрино. Все эти частицы в совокупности известны под названием лептонов. Считается, что кварки и лептоны являются основными кирпичиками, образующими материю.
В 1964 году были известны четыре разновидности лептонов, образующие две пары, тесно связанные между собой слабым взаимодействием. Это были электрон и электронное нейтрино, а также мюон и мюон-ное нейтрино. (Мюон — это страдающий ожирением и нестабильный родственник электрона; он весит примерно в 200 раз больше.) Было из- 189 Создание и открытие очарованного кварка
вестно всего три вида кварков. Партнером сї-кварка выступал и-кварк, а странный кварк (более тяжелый родственник сї-кварка) был одиноким и холостым. Аналогия между кварками и лептонами была неполной. Как в таблице Менделеева, как в моделях Гелл-Манна, здесь тоже чего-то явно не доставало. Конечно же, и-кварк должен был иметь богатого родственника, чтобы говорить как о двух лептонных парах, так и о двух кварковых парах. Недостающим кварком был изобретенный нами «очарованный» кварк. (Позднее эта партия расширилась, так как теперь нам известно о существовании трех супружеских пар, хотя шестой кварк по-прежнему ускользает от наших наблюдений.)
