Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы - [66]

Первым в этом направлении был Сенти Саката (1911–1970): он показал, что если помимо нуклонов принять за основную частицу лямбда-гиперон, то можно построить все остальные странные частицы (1956). Так К⁺-мезон составляется из протона и анти-лямбда, К^--мезон составляется из лямбда-гиперона и антипротона, сигма-гипероны — из лямбда и пионов. Было создано еще несколько подобных моделей, в которых к нуклонам добавлялась та или иная странная частица, и в конце концов стало ясно, что достаточно принять в качестве основной любую из них, — никаких особых преимуществ ни одна из частных моделей не имела — наступившее положение назвали «ядерной демократией» (автор также принимал участие в этих поисках).

7. Теория кварков

Казалось, что явление ядерной демократии полностью обесценило возможность выбора тех частиц, которые можно принять за основные. И тут возникла совершенна новая, поистине «сумасшедшая» идея: а почему этот поиск идет только среди уже найденных частиц, может быть, нужно придумать новые частицы, которые единственным, точнее, самым простейшим образом (это основное требование!) позволят построить составные модели всех остальных?

Именно по такому пути Джордж Цвейг (родился в 1937 г. в Москве) и Мюррей Гелл-Манн сумели в 1963–1964 гг. оптимизировать составную модель частиц: они нашли, независимо, простейший вариант основных частиц, кварков, из которых можно составить все остальные. Однако при этом им пришлось предположить совершенно, казалось бы, невероятные, противоречащие всему опыту физики параметры таких частиц: их электрические и барионные заряды должны были бы составлять, соответственно, одну или две трети от заряда электрона и по одной трети барионного заряда протона. (Напомним, что заряд электрона всегда считался наименьшим возможным, равно как и барионный заряд нуклона.)

Цвейг назвал эти придуманные частицы тузами, а Гелл-Манн — кварками и этим задал работу интерпретаторам: обычно принимается, что это слово, несколько искаженное, он заимствовал из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где официант почему-то выкрикивает: «Три кварка, три кварка для сэра Марка!».

Попробуем пояснить, как они могли конструировать эту модель. Хотя во многих моделях гипероны составлялись из трех частиц (двух барионов и одного антибариона, общая формула ВВВ), они приняли, что каждый барион (и нуклон, и гиперон) состоит из трех кварков, обозначаемых буквой q, поэтому барионный заряд каждого кварка равен одной трети обычного, и все барионы составлены по общей формуле В = qqq, а все антибарионы — из трех антикварков. Все мезоны состоят из кварка и антикварка, поэтому их общая формула имеет вид М = ͞qq. Ясно также, что все кварки должны иметь спин равный ½, т. е. быть фермионами.

Теперь нужно посмотреть, сколько, по минимуму, нужно типов кварков для конструирования всех барионов, и каковы необходимые для этого странность и электрические заряды. Поскольку барионный заряд составляет одну треть наблюдаемого, то естественно начать с такого же деления и электрического заряда, тогда элементарный перебор всех возможностей показывает, что достаточно ввести три кварка: u-кварк с зарядом в две трети элементарного заряда (²/₃е), d-кварк с зарядом минус одна треть (-¹/₃е), оба с нулевой странностью, и s-кварк с зарядом -¹/₃е, но со странностью -1. (Обозначения соответствуют первым буквам английских слов up, down, strange — верхний, нижний, странный.)

В этой теории известные частицы представимы так: протон р=uud, нейтрон п = udd, лямбда-гиперон Λ = uds, пион π⁺ = ͞du, каон К+ = ͞sи и так далее вплоть до Ω^- = sss. И естественно, что резононы могут теперь рассматриваться как возбужденные состояния системы кварков. Именно эти кварки играют роль партонов в составе частиц: они были обнаружены, как упоминалось выше, в экспериментах Дж. И. Фридмана, Г. У. Кендалла и Р. Е. Тэйлора — идейно этот эксперимент напоминает опыт Резерфорда, в котором была определена структура атома, только измерялось рассеяние электронов — их структура известна, и поэтому их можно использовать для выявления структуры других частиц.

Казалось бы, все хорошо, но, помимо проблем наблюдения, сразу же возникает противоречие: согласно принципу запрета Паули, никакие два фермиона не могут, имея одинаковыми все квантовые числа, находиться точно в одинаковом положении, а в этих моделях одинаковые кварки занимают одно и то же положение (в резононе Δ⁺⁺, который был открыт еще Ферми в рассеянии π⁺-мезона на протоне и имеет двойной заряд и спин ³/₂, оказалось три u-кварка в одинаковом состоянии!). Эту проблему пришлось разрешать привычным образом — вводить новое квантовое число: поскольку в частице не более трех кварков, то это число может принимать три значения, и его назвали «цвет» — Н. Н. Боголюбов, А. Н. Тавхелидзе и др. (по аналогии с синтезом любого видимого цвета из трех составляющих: красного, зеленого, синего). Таким образом, например, омега-минус-гиперон нужно писать как Ω^- = s_кs_зs_с — все кварки различны и поэтому могут иметь остальные квантовые числа одинаковыми. Наблюдаемые частицы должны быть бесцветными, т. е. барионы должны содержать кварки всех трех цветов, а мезоны — по кварку и антикварку одинакового цвета. После этого законы взаимодействия между «цветными» кварками были, естественно, названы квантовой хромодинамикой (о ней — в следующем разделе).