Оригинал материала
Смешивание кварков и загадочная масса протонов
19 ноября 2008 г. известный российский физик, доктор физ.-мат. наук, зам. директора Отделения теоретической физики Петербургского института ядерной физики РАН, зав. сектором теоретической физики высоких энергий, лауреат премии им. А.Гумбольдта (Германия) Дмитрий Дьяконов выступил с научным докладом на факультете физики и астрономии Университета в г. Бохуме (Германия) на тему «Лауреаты Нобелевской премии по физике 2008». Мы публикуем статью Дм. Дьяконова, рассказывающую широкому читателю об исследованиях физиков-лауреатов Нобелевки этого года. На фото: Нобелевские лауреаты по физике 2008 г. (с сайта nobelprize.org).
В 2008 году ½ нобелевской премии по физике дали Йоичиро Намбу (Yoichiro Nambu, университет Чикаго, США) и ¼ + ¼ премии – совместно Макото Кобаяши (Makoto Kobayashi, ускорительный центр, Цукуба, Япония) и Тошихиде Маскаве (Toshihide Maskawa, Институт теоретической физики им. Юкавы, Киото, Япония) – за работы по теоретической физике элементарных частиц.
Прежде, чем объяснить, в чём состоят достижения лауреатов, надо сказать несколько слов о физике элементарных частиц. Эта наука изучает, из чего сделана материя на самом глубоком, микроскопическом уровне. Наиболее фундаментальными составляющими материи являются кварки и лептоны, причём и тех, и других по 6 сортов.
Шесть кварков носят названия u, d, c, s, t, b – по первым буквам английских слов «up, down, charm, strange, top, bottom». Протоны, нейтроны, ядра всех атомов, мы с вами – состоим из самых лёгких u и d кварков; остальные рождаются только на короткое время при столкновении частиц на ускорителях при высоких энергиях. Из шести лептонов, которыми являются электрон, мюон, тау-лептон и три типа соответствующих нейтрино, в обычной материи встречаются только электроны, которые входят во все атомы.
Однако те «лишние» кварки и лептоны, которые даже не встречаются в спокойном состоянии в природе, нужны не «для полноты животного царства», а существенно влияют на реальный мир и уж, во всяком случае, необходимы для того, чтобы понять, как реальный мир устроен.
Все шесть сортов кварков имеют ещё одну характеристику, названную «цветом», хотя к обычному цвету это не имеет отношения. «Цвета» – три: «красный, зелёный и синий». Совершенно необычным свойством кварков является то, что кварки никогда не встречаются поодиночке, а только внутри связанных состояний, которые обязательно должны быть «бесцветны». Ничего подобного в истории науки ещё не бывало. Это свойство называется конфайнментом или удержанием кварков (ред. от англ. confinement – удержание, ограничение).
Например, протоны состоят в основном из трёх кварков u, u, d, причём один из трёх «красный», другой «зелёный», третий обязательно «синий», а всё вместе «бесцветно». Кварки внутри протона взаимодействуют друг с другом, «переливаясь» цветами, причём взаимодействие оказывается очень сильным. Наука, которая количественно описывает это, называется квантовая хромодинамика – от слова «цвет», конечно.
У лептонов нет «цветов», они бесцветны изначально, поэтому они взаимодействуют друг с другом и с кварками значительно слабее. Их взаимодействие так и называется – слабое. Слабое взаимодействие проявляется в радиоактивности некоторых ядер и в распадах многих элементарных частиц, а также, например, в охлаждении сверхновых звёзд после взрыва.
Кроме того, на кварки и лептоны действуют и обычные электрические и магнитные силы. В начале 70-х годов выяснилось, что слабые и электромагнитные взаимодействия имеют в сущности одну природу и были объединены общей теорией «электрослабого» взаимодействия. Вместе с квантовой хромодинамикой, описывающей сильные взаимодействия, эта теория была названа «стандартной моделью».
Стандартная модель, созданная усилиями многих физиков в последней трети XX века, – выдающееся достижение человечества. Она наводит порядок в микромире, позволяет количественно описывать сотни, если не тысячи характеристик частиц – как самих по себе, так и при их столкновениях. Стандартная модель настолько совершенна, что трудно найти что-нибудь, чему она противоречит, хотя некоторые неувязки встречаются. Кроме того, пока непонятно, почему Бог создал всё именно так, а не иначе.
Забегая вперёд, скажу, что Йоичиро Намбу получил премию за свои работы по теории сильного взаимодействия, а Макото Кобаяши и Тошихиде Маскава – за их совместную работу по теории слабого взаимодействия. То есть одновременно премированы достижения в совершенно разных областях.
Начнём с Кобаяши и Маскавы, поскольку их работу объяснить проще. Уже в 60-е годы, когда были известны только три из шести сорта кварков (u, d, s), стало ясно, что слабые взаимодействия испытывают не буквально эти кварки, а их «смеси». В данном случае могут смешиваться d и s кварки, имеющие одинаковый заряд, равный одной трети заряда электрона. В мире частиц действуют законы квантовой механики, поэтому можно ввести понятие «частично d-кварк, частично s-кварк», а точнее - их линейную комбинацию. Оказалось, что именно такого типа смесь d и s кварков и участвует в слабых взаимодействиях. Соответствующие уравнения были написаны итальянцем Николой Кабиббо (Nicola Cabibbo), избранным впоследствии иностранным членом РАН.
В 1973 г. Кобаяши и Маскава обобщили теорию смешивания кварков Кабиббо на случай, когда смешиваются не два, а три кварка d, s и b (экспериментально открытый позднее). Они предложили четыре варианта смешивания, и позже оказалось, что один из этих вариантов реализуется в природе. Самое интересное в этой работе (на которую сейчас имеется 5500 ссылок в мировой физической литературе – третье место по числу ссылок из всех статей, опубликованных по физике элементарных частиц!) было то, что смешивание кварков по Кобаяши и Маскаве допускало нарушение симметрии между прямыми процессами и процессами, идущими вспять во времени. Такая симметрия есть почти для всех элементарных процессов, но в редких случаях она слегка нарушается.
Подход Кобаяши и Маскавы позволил поставить на прочную основу изучение таких редких , но принципиально важных процессов для объяснения Вселенной такой, как она есть. Сейчас стало ясно, что три типа нейтрино тоже «смешиваются» между собой на манер Кобаяши – Маскавы, так что значение их работы простирается, по-видимому, дальше, чем они сами предполагали.
Физики называют смешивание кварков в слабых взаимодействиях именами Кабиббо–Кобаяши–Маскавы, но Кабиббо не рассматривал упомянутые редкие процессы, так как их возможность появляется только при смешивании трёх кварков, а не двух. Тем не менее при других обстоятельствах можно было бы подумать о том, чтобы дать нобелевскую премию и Кабиббо, который первым сказал о смешивании, – если б не чувствовалась необходимость дать её Намбу за совсем другую работу. По положению, одну Нобелевскую премию могут разделить на не более, чем трёх человек.
Слабые и электромагнитные взаимодействия являются сравнительно простой и понятной частью физики элементарных частиц, чего нельзя сказать о теории сильных взаимодействий кварков – квантовой хромодинамике. Здесь все привычные представления и интуиция переворачиваются с ног на голову. Обычно если какой-то объект состоит из других более мелких объектов, то его масса меньше, чем масса отдельных составляющих.
Например, масса ядра меньше сумм масс протонов и нейтронов, его составляющих. Разница называется энергией связи: это та энергия, которую надо затратить, чтобы раздраконить объект на составные части. На этой энергии работает Солнце, а, стало быть, всё живое на Земле существует за счёт энергии связи протонов и нейтронов в ядре. Действительно, в недрах Солнца и других звёзд постоянно идёт термоядерная реакция – слипание протонов и нейтронов в ядра, благодаря которой освобождается энергия связи. Она и греет нас – если не непосредственно, так с помощью нефти.
Но когда мы переходим к самим протонам и нейтронам, состоящим из кварков, то там ситуация прямо противоположная: суммарная масса кварков, составляющих протон, примерно в 80 раз меньше массы протона! Откуда же берётся, из чего складывается масса протона, то есть наша с вами масса? (Масса нашего тела на 99.95% задаётся массой протонов и нейтронов внутри нас, а оставшиеся 0.05% – это масса электронов.)
Окончательного, общепризнанного ответа на этот вопрос нет и сейчас, поскольку он связан с другим вопросом, на который тоже пока нет чёткого ответа, – из-за чего происходит конфайнмент кварков, почему они никогда не вылетают из протонов. Однако 47 лет назад, в 1961 г., Намбу вместе с итальянским физиком Джованни Йона-Ласинио (Giovanni Jona-Lasinio) попытались на него ответить с помощью имеющихся тогда подручных средств. Главным подручным средством оказалась аналогия с созданной незадолго до этого теорией сверхпроводимости.
Пользуясь аналогией со сверхпроводимостью, Намбу и Йона-Ласинио предположили, что в мире элементарных частиц происходит нечто похожее, а именно спонтанная конденсация протон-антипротонных, а также нейтрон-антинейтронных пар, в результате чего обе частицы приобретают большую массу! (В сверхпроводниках происходит спонтанная конденсация так называемых куперовских пар электронов – в этом аналогия).
Идея была в то время неожиданной, вполне революционной. Интересно отметить, что в том же 1961 году ту же самую идею и даже то же воплощение опубликовали советские физики Валентин Григорьевич Вакс (род. 1932) и Анатолий Иванович Ларкин (1932–2005) в статье под названием «О применении методов сверхпроводимости к вопросу о массе элементарных частиц». Однако даже в России младшее поколение физиков, я думаю, об этой работе уже не слышало, а за границей о ней и раньше, к сожалению, не знали.
Между тем, на две статьи Намбу и Йона-Ласинио имеется сегодня около 3500 ссылок, и они серьёзно повлияли на развитие теоретической физики элементарных частиц на многие годы вперёд. Парадоксально, но сейчас мы знаем, что почти всё в статьях Намбу–Йона-Ласинио и Вакса и Ларкина 1961 года, если читать их буквально, было неправильно. Сейчас известно, что конденсируются не протоны, а кварки (которые не были ещё известны в 1961 г.), что взаимодействие кварков не такое, как предполагали авторы, и так далее. Однако общая идея была, несомненно, правильной. Она даёт нам возможность понять, откуда берется масса у протонов.
Надо сказать, что Намбу зарекомендовал себя «придумщиком» многих блестящих идей. Это, возможно, выделило его в глазах нобелевского комитета в сравнении с его соавтором Йона-Ласинио. Из многих вещей упомяну, что Намбу является автором математического описания струны, которая, как полагают, натягивается между кварками при попытке их разведения (отсюда – конфайнмент кварков). Теория струн сегодня – бурно развивающаяся область теоретической физики высоких энергий, и этим мы отчасти обязаны Намбу. Премию, впрочем, дали ему не за это, а именно за работы 1961 года.
Как стало уже привычным, Нобелевская премия представляет собой сложное равновесие между научными, конъюнктурными и чисто человеческими соображениями, но все же присуждение премии 2008 г. этим трем физикам является, на мой взгляд, шагом вполне оправданным. Как Й. Намбу, так и М. Кобаяши и Т. Маскава внесли выдающийся вклад в современное понимание мира фундаментальных частиц и их взаимодействий.