Кварк - це що за частинка? Дізнайтеся, з чого складаються кварки. Яка частка менше кварка?

Тільки лише рік тому Пітер Хіггс і Франсуа Енглер отримали Нобелівську премію за роботу, яка була присвячена дослідженню субатомних частинок. Це може здатися безглуздим, але свої відкриття вчені зробили ще півстоліття тому, але до цього дня їм не надавали хоч скільки-небудь великого значення.

У 1964 році ще два талановитих фізика теж виступали зі своєю новаторською теорією. Спершу вона також не притягнула практично ніякої уваги. Це дивно, так як описувала вона структуру адронів, без яких неможливо ні одне сильне міжатомна взаємодію. Це була теорія кварків.

Що це таке?

До речі, що таке кварк? Це одна з найважливіших складових частин адрону. Важливо! Ця частка має «половинним» спіном, фактично будучи ферміоном. Залежно від кольору (про це нижче) заряд кварка може дорівнювати третини або двом третинам від заряду протона. Що стосується кольорів, то їх налічується шість (покоління кварків). Потрібні вони для того, щоб не порушувався принцип Паулі.

Основні відомості

У складі адронів дані частинки знаходяться на відстані, що не перевищує значення конфайнмента. Пояснюється це просто: вони обмінюються векторами калибровочного поля, тобто глюонами. Чому такий важливий кварк? Глюонна плазма (насичена кварками) - це стан речовини, в якому знаходилося все світобудову відразу після великого вибуху. Відповідно, існування кварків і глюонів - пряме підтвердження того, що він дійсно був.

Вони також мають свій колір, а тому під час руху створюють свої віртуальні копії. Відповідно, при збільшенні відстані між кварками сила взаємодії між ними значно збільшується. Як можна здогадатися, при мінімальній відстані взаємодія практично зникає (асимптотична свобода).

Таким чином, будь-яке сильна взаємодія в адронах пояснюється переходом глюонів між кварками. Якщо ж говорити про взаємодії між адронами, то вони пояснюються передачею пі-мезонного резонансу. Простіше кажучи, побічно все знову-таки зводиться до обміну глюонами.

Скільки кварків входить до складу нуклонів?

Кожен нейтрон складається з пари d-кварків, а таже єдиного u-кварка. Кожен протон, навпаки, - з єдиного d-кварка і пари u-кварків. До слова кажучи, букви ставляться в залежності від квантових чисел.

Пояснимо. Наприклад, бета-розпад пояснюється як раз таки перетворенням одного з однотипних кварків у складі нуклона в інший. Щоб було краще зрозуміло, у вигляді формули цей процес можна записати ось так: d = u + w (це нейтронний розпад). Відповідно, протонний записується дещо інший формулою: u = d + w.

До речі кажучи, саме останнім процесом пояснюється постійний потік нейтрино і позитронів з великих зоряних скупчень. Так що в масштабах Всесвіту мало таких важливих частинок, якою є кварк: глюонна плазма, як ми вже говорили, підтверджує факт великого вибуху, а дослідження цих частинок дозволяють вченим краще пізнати саму суть того світу, в якому ми живемо.

Що менше кварка?

До речі, а з чого складаються кварки? Їх складовою часткою є преонов. Частинки ці дуже малі і погано вивчені, так що навіть на сьогоднішній день про них відомо не дуже багато. Ось що менше кварка.

Звідки вони взялися?

На сьогоднішній день найбільш поширені дві гіпотези формування преонов: теорія струн і теорія Більсона-Томпсона. У першому випадку виникнення даних частинок пояснюється осциляцією струн. Друга гіпотеза припускає, що їх поява викликана збудженим станом простору і часу.

Цікаво, що в другому випадку явище цілком можна описати, користуючись матрицею паралельного перенесення уздовж кривих спінової мережі. Властивості цієї самої матриці і зумовлюють такі для преонов. Ось з чого складаються кварки.

Підводячи деякі підсумки, можна сказати, що кварки - своєрідні «кванти» у складі адронів. Вражені? А зараз ми поговоримо про те, як взагалі був відкритий кварк. Це вельми захоплююча історія, яка, до всього іншого, повніше розкриває деякі нюанси, описані вище.

Дивні частки

Відразу після закінчення Другої Світової вчені почали активно досліджувати світ субатомних частинок, який до того часу виглядав до примітивного просто (по тим уявленням). Протони, нейтрони (нуклони) і електрони утворювали атом. У 1947 році були відкриті півонії (а передбачили їх існування ще в 1935 році), які відповідали за взаємне тяжіння нуклонів в ядрі атомів. Цій події свого часу була присвячена не одна наукова виставка. Кварки ще не були відкриті, але момент нападу на їх «слід» був все ближче.

Нейтрино до того часу відкриті ще не були. Але їх явна важливість для пояснення бета-розпадів атомів була настільки велика, що вчені практично не сумнівалися в їх існуванні. Крім того, вже встигли виявити або передбачити деякі античастинки. Залишалася неясна тільки ситуація з мюонами, які утворювалися при розпаді півоній і надалі переходили в стан нейтрино, електрона або позитрона. Фізики не розуміли, для чого взагалі потрібна ця проміжна станція.

На жаль, але настільки проста і невибаглива модель зовсім ненадовго пережила момент відкриття півоній. У 1947 році два англійських фізика, Джордж Рочестер і Кліффорд Батлер, опублікували одну цікаву статтю в науковому журналі Nature. Матеріалом для неї послужило їх дослідження космічних променів за допомогою камери Вільсона, в ході якого вони отримали прецікаві відомості. На одній з фотографій, знятих в процесі спостереження, була виразна видна пара треків із загальним початком. Так як розбіжність нагадувало латинську V, то відразу стало ясно - заряд у цих частинок виразно різний.

Вчені відразу припустили, що ці треки вказують на факт розпаду якоїсь невідомої частинки, яка не залишила після себе інших слідів. Розрахунки показали, що її маса - близько 500 МеВ, що набагато більше цього значення для електрона. Зрозуміло, дослідники нарекли своє відкриття V-часткою. Втім, це був ще не кварк. Частка ця ще чекала свого часу.

Все тільки починається

З цього відкриття все і почалося. У 1949 році в таких же умовах був виявлений слід частинки, яка дала початок відразу трьом півонії. Незабаром з`ясувалося, що вона, так само як і V-частинка - зовсім різні представники сімейства, що складається з чотирьох часток. Згодом їх назвали К-мезонами (каони).

Пара заряджених каонов мають масу 494 МеВ, а у випадку з нейтральним зарядом - 498 МеВ. До речі кажучи, в 1947 році вченим пощастило закарбувати як раз таки вельми рідкісний випадок розпаду позитивного каона, але в той час вони просто не змогли правильно інтерпретувати знімок. Втім, якщо бути до кінця справедливими, то взагалі-то перше спостереження каона було зроблено ще в далекому 1943 році, але інформація про це ледь не загубилася на тлі численних повоєнних наукових публікацій.

Нові дивацтва

А далі вчених чекало ще більше відкриттів. У 1950 і 1951 роках дослідники з Манчестерського і Мельнбурского університетів зуміли відшукати частинки, набагато важче протонів і нейтронів. Вона знову не мала ніякого заряду, але розпадалася на протон і півонія. Останній, як можна зрозуміти, мав негативний заряд. Нову частинку позначили буквою Lambda- (лямбда).

Чим більше проходило часу, тим більше з`являлося питань у вчених. Проблема була в тому, що нові частинки виникали виключно при сильних атомних взаємодіях, швидко розпадаючись на відомі протони і нейтрони. Крім того, вони завжди з`являлися парами, одиночних проявів не було ніколи. А тому група фізиків зі США та Японії запропонувала використовувати в їх описі нове квантове число - дивина. За їхнім визначенням, дивина всіх інших відомих частинок дорівнювала нулю.

Подальші дослідження

Прорив в вишукуваннях трапився тільки після виникнення нової систематизації адронів. Найвизначнішою постаттю в цьому став ізраїльтянин Юваль Нееман, який поміняв кар`єру видатного військового на настільки ж блискучий шлях вченого.

Він звернув увагу, що відкриті до того часу мезони і баріони розпадаються, утворюючи скупчення родинних часток, мультіплети. Члени кожного такого об`єднання володіють абсолютно однаковою дивиною, але протилежними електричними зарядами. Так як дійсно сильні ядерні взаємодії від електричних зарядів не залежить зовсім, у всьому іншому частинки з мультіплета виглядають досконалими близнюками.

Вчені припустили, що за виникнення подібних утворень відповідає якась природна симетрія, і незабаром їм вдалося її відшукати. Вона виявилася простим узагальненням спінової групи SU (2), якій вчені всього світу користувалися для опису квантових чисел. От тільки до того часу було відомо вже 23 адрону, причому їхні спини були рівні 0, frac12- або цілої одиниці, а тому користуватися такою класифікацією не представлялося можливим.

В результаті довелося використовувати для класифікації відразу два квантових числа, за рахунок чого класифікація значно розширилася. Так і з`явилася група SU (3), яку ще на початку століття створив французький математик Елі Картана. Щоб визначити систематичне положення в ній кожної частки, вченими була розроблена дослідницька програма. Кварк згодом легко увійшов в систематичний ряд, що підтвердило абсолютну правоту фахівців.

Нові квантові числа

Так вчені підійшли до ідеї використання абстрактних квантових чисел, якими стали гіперзаряд і ізотопічний спин. Втім, з тим же успіхом можна брати дивина і електричний заряд. Дана схема була умовно названа Восьмеричним Шляхом. У цьому вловлюється аналогія з буддизмом, де до досягнення нірвани також потрібно пройти вісім рівнів. Втім, все це лірика.

Свої роботи Нееман і його колега, Гелл-Манн, надрукували в 1961 році, а кількість відомих тоді мезонів не перевищувало семи. Але в своїх роботах дослідники не побоялися згадати про високу ймовірність існування восьмого мезона. У тому ж 1961 їх теорія з блиском підтвердилося. Знайдену частинку назвали ця-мезоном (грецька буква eta-).

Подальші знахідки та експерименти з блиском підтвердили абсолютну правильність класифікації SU (3). Ця обставина стала потужним стимулом для дослідників, які виявили, що стоять на вірному шляху. Навіть сам Гелл-Манн вже не сумнівався в тому, що в природі існують кварки. Відгуки про його теорії були не надто позитивними, але вчений був упевнений у своїй правоті.

Ось і кварки!

Незабаром вийшла стаття «Схематична модель баріонів і мезонів». У ній вчені змогли далі розвинути ідею систематизації, яка виявилася настільки корисною. Вони з`ясували, що SU (3) цілком допускає існування цілих триплетів фермионов, електричний заряд яких коливається від 2/3 до 1/3 і -1/3, причому в триплеті одна частинка завжди відрізняється ненульовий дивиною. Вже відомий нам Гелл-Манн назвав їх «елементарні частинки кварки».

Згідно зарядам, він позначив їх як u, d і s (від англійських слів up, down і strange). Відповідно з новою схемою, кожен баріон утворений відразу трьома кварками. Мезони влаштовані куди простіше. До їх складу входить один кварк (це правило є непорушним) і антікварк. Тільки після цього в науковому співтоваристві стало відомо про існування цих частинок, яким і присвячена наша стаття.

Ще трохи передісторії

Ця стаття, яка багато в чому визначила розвиток фізики на роки вперед, має досить цікаву передісторію. Гелл-Манн думав про існування такого роду триплетів задовго до її публікації, але ні з ким не обговорював свої припущення. Справа в тому, що його припущення про існування частинок, що володіють дробовим зарядом, виглядали як марення. Однак після розмови з видатним фізиком-теоретиком Робертом Сербер він дізнався, що його колега зробив точно такі ж висновки.

Крім того, вчений зробив єдино правильний висновок: існування подібних частинок можливо тільки в тому випадку, якщо вони не є вільними фермионами, а входять до складу адронів. Адже в цьому випадку їх заряди складають єдине ціле! Спершу Гелл-Манн назвав їх кворкамі і навіть згадав про них у MTI, але реакція студентів і викладачів була вельми стриманою. А тому вчений дуже довго думав про те, чи варто йому виносити свої дослідження на суд публіки.

Саме слово «кварк» (це звук, що нагадує крик качок) було взято з твору Джеймса Джойса. Як не дивно, але американський вчений відправив свою статтю в престижний європейський науковий журнал Physics Letters, так як серйозно побоювався того, що редакція аналогічного за рівнем американського видання Physical Review Letters не прийме її в друк. До речі, якщо ви хочете поглянути хоча б на копію тієї статті - вам пряма дорога в той же Берлінський музей. Кварки в його експозиції не маються, зате повна історія їх відкриття (точніше, документальні свідчення) є.

Початок кварковой революції

Справедливості заради варто відзначити, що практично в той же час до аналогічної думки дійшов учений з ЦЕРНу, Джордж Цвейг. Спершу його наставником був сам Гелл-Манн, а потім Ричард Фейнман. Цвейг також визначив реальність існування фермионов, які володіли дробовими зарядами, тільки назвав їх тузами. Більше того, талановитий фізик також розглядав баріони як трійку кварків, а мезони - як комбінацію кварка і антікварка.

Простіше кажучи, учень повністю повторив висновки свого вчителя, причому абсолютно окремо від нього. Його робота з`явилася навіть на пару тижнів раніше публікації Манна, але тільки як «домашньої заготовки» інституту. Втім, саме наявність двох незалежних робіт, висновки за якими були практично ідентичними, відразу переконало деяких вчених у вірності запропонованої теорії.

Від неприйняття до довіри

Але багато дослідників прийняли цю теорію далеко не відразу. Так, журналісти та теоретики швидко полюбили її за наочність і простоту, але серйозні фізики взяли її тільки через цілих 12 років. Не варто дорікати їх в зайвому консерватизмі. Справа в тому, що спочатку теорія кварків різко суперечила принципу Паулі, про який ми згадували на самому початку статті. Якщо припустити, що в протоні міститься пара u-кварків і єдиний d-кварк, то перші повинні знаходитися строго в одному і тому ж квантовому стані. Згідно ж Паулі, таке неможливо.

Ось тоді-то і з`явилося додаткове квантове число, виражене у вигляді кольору (про що ми також згадували вище). Крім того, було абсолютно незрозуміло, як взагалі елементарні частинки кварки взаємодіють один з одним, чому не зустрічаються їхні вільні різновиди. Всі ці таємниці сильно допомогла розгадати Теорія Калібрувальних полів, яку «довели до розуму» тільки в середині 70-х років. Приблизно в той же час кварковую теорію адронів органічно включили в неї.

Але найсильніше стримувало розвиток теорії повна відсутність хоч якихось експериментальних дослідів, які б підтверджували як саме існування, так і взаємодію кварків між собою та з іншими частинками. А вони поступово почали з`являтися лише з кінця 60-х років, коли швидкий розвиток технологій дозволило провести досвід з «просвічуванням» протонів електронними потоками. Саме ці досліди дозволили довести, що всередині протонів дійсно «ховаються» якісь частинки, які спочатку назвали Партон. Згодом все ж переконалися, що це не що інше, як істинний кварк, але це сталося лише наприкінці 1972 року.

Експериментальне підтвердження

Зрозуміло, для остаточного переконання наукової громадськості знадобилося набагато більше експериментальних даних. У 1964 році Джеймс Бьёркен і Шелдон Глешоу (майбутній лауреат Нобелівської премії, до речі) зробили припущення, нібито може існувати ще й четверта різновид кварка, яку вони назвали зачарованої (charmed).

Саме завдяки цій гіпотезі вчені вже в 1970 році змогли пояснити багато дивацтва, які спостерігалися при розпаді нейтрально заряджених каонов. Через чотири роки відразу дві незалежні групи американських фізиків зуміли зафіксувати розпад мезона, до складу якого входив якраз один «зачарований» кварк, а також його антікварк. Не дивно, що ця подія відразу охрестили Листопадової Революцією. Вперше теорія кварків отримала більш-менш «наочне» підтвердження.

Про важливість відкриття говорить хоча б той факт, що керівники проекту, Семюель Тінг і Бартон Ріхтер, вже через два роки брали свою Нобелівську премію: це подія відображена в багатьох статтях. З деякими з них ви зможете ознайомитися в оригіналі, якщо відвідаєте Нью-Йоркський природничонауковий музей. Кварки, як ми вже говорили, - вкрай важливе відкриття сучасності, а тому й уваги в науковому середовищі їм приділяється дуже багато.

Останній доказ

Тільки в 1976 році дослідники все ж знайшли одну частинку з ненульовим чарівністю, нейтральний D-мезон. Це досить складна комбінація з одного зачарованого кварка і u-антікварка. Тут навіть закоренілі противники існування кварків змушені були визнати правоту теорії, вперше викладеної більше двох десятків років тому. Один з найвідоміших фізиків-теоретиків, Джон Елліс, назвав чарівність «важелем, що перевернув світ».

Незабаром в перелік нових відкриттів увійшла і пара особливо масивних кварків, top і bottom, які без зусиль вдалося співвіднести з уже прийнятою на той час систематизацією SU (3). В останні роки вчені говорять про те, що існують так звані Тетракварк, які деякі вчені вже встигли охрестити «Адрон молекулами».

Деякі висновки й умовиводи

Потрібно розуміти, що відкриття і наукове обгрунтування існування кварків і справді можна сміливо вважати науковою революцією. Початком її можна вважати 1947 (в принципі, 1943), а кінець її доводиться на виявлення першого «зачарованого» мезона. Виходить, що тривалість останнього на сьогоднішній день відкриття такого рівня становить, ні багато ні мало, цілих 29 років (або навіть 32 роки)! І весь цей час було витрачено не тільки заради того, щоб відшукати кварк! Глюонна плазма як первинний об`єкт у Всесвіті незабаром привернула куди більшу увагу вчених.

Втім, чим складніше стає область вивчення, тим більше часу потрібно для здійснення справді важливих відкриттів. А що стосується обговорюваних нами частинок, то важливість такого відкриття не зможе недооцінювати ніхто. Вивчаючи будову кварків, людина зможе глибше проникнути в таємниці світобудови. Можливо, що тільки після повного їхнього дослідження ми зможемо дізнатися, як відбувався великий вибух і за якими законами розвивається наш Всесвіт. В усякому разі саме їх відкриття дозволило переконати багатьох фізиків в тому, що навколишня дійсність куди складніше колишніх уявлень.

Ось ви і дізналися, що таке кварк. Частка ця свого часу наробила багато шуму в науковому світі, та й сьогодні дослідники сповнені надій остаточно розкрити всі її таємниці.