Кваркам — полвека

В прошлом году Питер Хиггс и Франсуа Энглер получили Нобелевскую премию по физике за теоретические исследования, «способствующие пониманию природы массы субатомных частиц». Эти работы (Энглера — вместе с покойным Робертом Броутом) были опубликованы 50 лет назад и еще долго оставались практически незамеченными. В том же 1964 году двое других физиков выступили с фундаментальной теорией нисколько не меньшей значимости. Она тоже поначалу не привлекла особого внимания, но впоследствии стала основой современных представлений о структуре адронов — частиц, участвующих в сильных ядерных взаимодействиях. Это была теория кварков.

Загадки странных частиц

После Второй Мировой войны мир субатомных частиц выглядел до смешного простым. Нуклоны (протоны и нейтроны) и электроны входили в состав атомов, а предсказанные в 1935 году и открытые спустя двенадцать лет пионы (как их тогда называли, пи-мезоны) отвечали за притяжение нуклонов в атомных ядрах. Предсказанные еще до пионов, но еще не изловленные в эксперименте нейтрино оказались столь нужными для объяснения бета-распадов атомных ядер, что их существование не вызывало сомнений. Каждой частице полагалась античастица, и некоторые из них были уже обнаружены. Не при деле оставались лишь мюоны,тяжелые аналоги электронов, которые возникали при распадах заряженных пионов и превращались в нейтрино и электроны либо позитроны. Физики не очень понимали, почему бы пионам не рождать эти частицы без промежуточной инстанции в лице мюонов.

Эта простая и четкая модель субатомного мира не надолго пережила открытие пионов. Начало ее краху положила статья манчестерских физиков Джорджа Рочестера и Клиффорда Батлера, опубликованная в 1947 году в журнале Nature. Они изучали космические лучи с помощью камеры Вильсона, и на одной из фотографий заметили пару треков с общим началом. Поскольку в магнитном поле эти треки расходились как латинское V, они принадлежали заряженным частицам разных знаков (позже выяснилось, что это были пионы). Рочестер и Батлер предположили, что необычные треки — след распада неизвестной частицы с нулевым зарядом, не оставившей следа в вильсоновской камере. Расчеты показали, что ее масса составляет около 500 МэВ, что в тысячу раз больше массы электрона. Не мудрствуя лукаво, первооткрыватели нарекли ее просто V-частицей.

Это было только начало. В 1949 году Сесил Пауэлл и его коллеги из Бристольского университета, тоже изучавшие космические лучи,обнаружили на фотоэмульсии след заряженной частицы такой же массы, давшей начало не двум, а трем пионам. Позднее выяснилось, что и она, и V-частица Рочестера и Батлера — это различные представители семейства из четырех частиц, названных К-мезонами, или каонами. Два заряженных каона имеют массу 494 МэВ, а два нейтральных — 498 МэВ. Интересно, что Рочестер с Батлером в 1947 году наблюдали редкий распад положительного каона на положительный и нейтральный пионы, но не смогли его интерпретировать. Более того, самое первое наблюдение события с участием каона имело место в 1943 году, однако информация о нем появилась в печати лишь после войны.

Дальше — больше. В 1950 и 1951 годах сотрудники Мельбурнского и Манчестерского университетов сообщили об открытии в космических лучах частицы тяжелее протона и нейтрона. Она тоже не имела электрического заряда и распадалась на протон и отрицательный пион, которые опять-таки расходились по V-образным трекам. Для ее названия задействовали греческую букву Λ (лямбда).

Новые частицы выглядели таинственными. Они возникали в процессах сильных ядерных взаимодействий и распадались на сильно взаимодействующие частицы уже известных типов. Это стало совершенно ясно, когда в 1953 году в Брукхейвенской национальной лаборатории заработал первый в мире ускоритель-миллиардник Космотрон, который позволил в изобилии получать и каоны, и Λ-частицы. Однако время их жизни составляло 1010-1013 с, а тогдашняя теория ограничивала его 10-23 с. Более того, они появлялись только парами и никогда поодиночке. Для объяснения этой загадки американский физик-теоретик Марри Гелл-Манн и японцы Тадео Накано и Казухико Нишиджима в том же 1953 году предложили приписать этим частицам новое квантовое число, которое Гелл-Манн назвал странностью. По определению, странность «прежних» адронов, то есть протонов, нейтронов и пионов, равна нулю.

Рассмотрим эту схему на примере возникновения нейтрального каона и Λ-частицы при столкновении протона и отрицательного пиона. Сумма странностей исходных частиц равна нулю, такой же она должна быть у частиц-потомков.Так будет,если приписать каону странность плюс один,а Λ-частице — минус один. Аналогично интерпретируют и прочие подобные реакции.

Порядок в беспорядке?

В 1929 году были известны лишь электрон, протон и фотон. К 1959 году число открытых субатомных частиц достигло тридцати (вместе с их античастицами). «Будь я в состоянии запомнить все их имена, — заметил как-то великий Энрико Ферми,- стал бы не физиком, а ботаником». Такое изобилие нуждалось в систематизации, за которой дело не стало. Электрон, мюон и нейтрино вместе со своими античастицами отнесли к категории лептонов (от греческого λεπτός — легкий), адроны же разделили на два класса. Протон, нейтрон и все частицы большей массы назвали барионами (βαρύς — тяжелый). Термины лептон и барион придумал американский физик-теоретик Абрахам Пайс в 1953 году. Слово мезон (μέσος — средний) существовало и раньше, в эту категорию вошли пионы и каоны — адроны с массой меньшей, чем у протона. Фотон остался сам по себе, единственным представителем своего класса. Тридцатка частиц конца 1950-х как раз и состояла из фотона, шести лептонов, семи мезонов и шестнадцати барионов.

Закон сохранения странности действует в сильных и электромагнитных взаимодействиях, однако нарушается в процессах с участием слабых взаимодействий. Этим он отличается от законов сохранения общего количества барионов (барионного числа), количества лептонов (лептонного числа) и электрического заряда, которые строго соблюдаются во всех известных процессах. Этим объясняется аномальное долголетие странных частиц. Скажем, Λ-частица может распасться на протон и отрицательный пион или на нейтрон и нейтральный пион — с очевидным несохранением странности. Это происходит потому, что процессом распада управляет слабое взаимодействие, которое и позволяет лямбде жить дольше. В 1950-е годы были открыты еще две группы странных частиц тяжелее протона. Это три сигма-частицы, Σ+, Σ— и Σ0, с массами порядка 1190 МэВ и две частицы (отрицательно заряженная и нейтральная) с массой около 1320 МэВ, обозначаемых греческой буквой Ξ (кси). Анализ их распадов показал, что членам триплета Σ-частиц надо приписать странность минус 1, а каждой из частиц Ξ-дублета — минус два. Тогда же было показано, хотя и не вполне достоверно, что все странные частицы тяжелее протона обладают половинным спином, то есть являются фермионами.

В 1956 году Сёити Саката и его коллеги из Нагойского университета опубликовали первую структурную модель адронов, включавшую странные частицы. Они предложили считать истинно элементарными лишь протон, нейтрон и лямбду, а все прочие частицы — их комбинациями. Так, отрицательный каон получался как объединение лямбды и антипротона. Однако выбор базисных частиц в этой схеме выглядел уж очень искусственным, и к началу 1960-х она утеряла свою привлекательность. В эти годы в качестве альтернативы стала развиваться теория зашнуровки (bootstrap), которая утверждала, что все адроны сложены друг из друга (естественно, в квантовом смысле). Эта концепция «ядерной демократии», как ее тогда называли, вообще не нуждалась ни в каких элементарных кирпичиках.Теперь она позабыта, хотя полвека назад пользовалась немалым успехом.

Восьмеричный путь

Кончина модели Сакаты совпала по времени с появлением принципиально нового подхода к систематизации адронов. Его отцами-основателями стали Гелл-Манн и работавший в Англии израильтянин Ювал Неэман, в 35 лет променявший карьеру военного и дипломата на теоретическую физику. Они исходили из того, что совокупность открытых в эксперименте мезонов и барионов очевидным образом распадается на несколько групп родственных частиц — мультиплетов. Таковы три пиона, две пары каонов, пара нуклонов, лямбда,три сигмы и две кси-частицы. Члены каждого мультиплета обладают близкими массами и одинаковой странностью, но разными электрическими зарядами. Поскольку сильные ядерные взаимодействия вообще не зависят от электрических сил, для них частицы одного и того же мультиплета выглядят близнецами.

Гелл-Манн и Неэман предположили, что за возникновение мультиплетов отвечает некая глубинная симметрия законов природы, и им удалось ее найти. Она оказалась обобщением симметрии непрерывной группы SU(2), которой пользовались для описания спиновых квантовых чисел. Однако все 23 известных к тому времени адрона имеют спин 0, 1/2 или 1, поэтому упорядочить их на этой основе невозможно. Гелл-Манн и Неэман решили воспользоваться для классификации адронов не одним, а двумя квантовыми числами,для чего симметрию пришлось расширить. В результате они пришли к группе симметрии SU(3), которую еще в начале века изучил французский математик Эли Картан.

Гелл-Манн использовал абстрактные квантовые числа — гиперзаряд и изотопический спин. С таким же успехом можно взять странность и электрический заряд. В любом случае получается восьмерка (октет) барионов (плюс восемь антибарионов), в которую входят пара нуклонов с нулевой странностью и зарядами 0 и 1, пара кси-частиц со странностью минус 2 и зарядами минус 1 и 0, и четверка частиц со странностью минус-1 (нейтральная лямбда-частица и три сигмы с зарядами минус 1, 0 и 1). Аналогичным образом возникает и октет мезонов — с той лишь разницей, что их странности лежат в промежутке от единицы до минус единицы. Гелл-Манн назвал свою схему Восьмеричным Путем — по аналогии с тем, что Будда указал как дорогу к нирване.

Гелл-Манн и Неэман опубликовали свои результаты в 1961 году, когда число известных мезонов не превышало семи. Однако Гелл-Манн не побоялся предсказать существование восьмого мезона, соседа тройки пионов (аналогично лямбде и триплету сигма-частиц в барионном октете). В этом же году Луис Альварец с коллегами экспериментально доказали существование этой частицы и назвали ее эта-мезоном (обозначается греческой буквой η).

Симметрия SU(3) допускает также существование десяти барионов со спином 3/2 — уже не октета, а декуплета. К лету 1962 года экспериментаторы обнаружили девять таких частиц (их называют резонансами). Гелл-Манн и Неэман предсказали и десятый резонанс с зарядом минус 1, странностью минус 3 и массой около 1685 МэВ. Гелл-Манн выбрал для него имя Ω– (омега-минус). 31 января 1964 года Николас Самиос и его коллеги нашли следы распада этой частицы на одной из 50 тысяч фотографий, сделанных на новой пузырьковой камере Брукхейвенской лаборатории. Ее масса почти совпадала с расчетной — 1672 МэВ. Это стало триумфом систематики адронов, основанной на Би(3)-симметрии.

Наконец-то кварки!

Открытие группы Самиоса всего на сутки опередило статью Гелл-Манна «Схематическая модель барионов и мезонов», где эта систематика была представлена в совершенно новом свете.Там было показано,что SU(3)-симметрия допускает существование триплета фермионов с дробными электрическими зарядами 2/3, -1/3 и -1/3, один из которых обладает ненулевой странностью. Гелл-Манн назвал их кварками и обозначил индексами u, d и s (сокращения слов up, down и strange). В соответствии с этой схемой каждый барион образован тремя кварками, а мезон-кварком и антикварком.

Двухстраничная статья Гелл-Манна имеет любопытную предысторию. Гелл-Манн задумывался о таких триплетах и раньше, однако ни с кем их не обсуждал. Допущение частиц с дробными зарядами выглядело абсолютной ахинеей, и к тому же их никогда не наблюдали в эксперименте. Однако в конце марта 1963 года из разговора с нью-йоркским физиком-теоретиком Робертом Сербером Гелл-Манн узнал, что тот пришел к сходным выводам. Эта беседа привела Гелл-Манна к догадке, что необычные фермионы можно рассматривать не как свободные частицы, а как составные части адронов. В таком случае их заряды складываются или вычитаются, и в итоге получаются целочисленные значения. Поначалу Гелл-Манн назвал эти частицы кворками и упомянул в лекции в MTI — впрочем, только поверхностно и без реакции со стороны аудитории. До осени его терзали сомнения, стоит ли вынести свою гипотезу на публику, но потом он решился на публикацию статьи. Вспомнив «кварки» из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», он решил это слово позаимствовать. Любопытно, что статью он отправил в европейский журнал Physics Letters, опасаясь, что редакторы более престижного американского издания Physical Review Letters откажутся ее напечатать.

До аналогичной модели одновременно додумался постдок из ЦЕРНа Джордж Цвейг, только что защитивший диссертацию в Калтехе, где его работой сначала руководил Гелл-Манн, а потом Ричард Фейнман. Цвейг назвал фермионы с дробными зарядами тузами. Он тоже рассматривал барионы как тройные комбинации кварков, а мезоны — как кварк-антикварковые пары. Эта работа появилась в печати даже на пару недель раньше заметки Гелл-Манна, но лишь как церновский препринт. С этих публикаций и началось шествие кварковой модели адронов по миру физической науки.

От недоверия к принятию

Это шествие не было быстрым. Модель за наглядность и красивое имя мгновенно полюбили журналисты и популяризаторы, однако физики окончательно приняли ее только 12 лет спустя. На это были свои причины. Модель в первоначальном виде противоречила принципу Паули, которому обязаны подчиняться все фермионы. Если протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, то u-кварки должны находиться в одном и том же квантовом состоянии, а это, согласно Паули, невозможно. Эту проблему со временем решили, снабдив кварки дополнительным квантовым числом — цветом, которое может принимать три значения — красный, синий, зеленый. Не было понятно, как кварки взаимодействуют друг с другом и почему не переходят из связанных состояний в свободные. Эти тайны разгадали с помощью теории калибровочных полей, которая оформилась в первой половине 1970-х годов и позволила построить Стандартную модель физики элементарных частиц. Кварковая модель адронов (она же квантовая хромодинамика) стала ее частью.

Еще одним сдерживающим фактором было отсутствие прямых экспериментальных подтверждений существования кварков. Они начали появляться лишь в конце 1960-х, после того как удалось прощупать протоны быстрыми электронами. Эти эксперименты позволили предположить, что внутри протонов скрыты какие-то точечные частицы, которые Ричард Фейнман назвал партонами. В конце концов партоны отождествили с кварками, но это произошло не раньше 1972 года.

Окончательное признание кварков также пришло на волне экспериментальных данных. В 1964 году Джеймс Бьёркен и будущий Нобелевский лауреат Шелдон Глэшоу предположили, что существует четвертый кварк, который они назвали очарованным (charmed). В 1970 году на базе этой гипотезы Глэшоу, Джон Илиопулос и Лучиано Маньяни объяснили некоторые особенности распада нейтральных каонов, которые не находили разумной интерпретации. В ноябре 1974 года две группы американских физиков разными методами зарегистрировали распады мезона, состоящего из очарованного кварка и его антикварка. Физики провозгласили это событие Ноябрьской Революцией, а руководители групп Сэмюэль Тинг и Бартон Рихтер всего два года спустя получили Нобелевскую премию.

В мае 1976 года наконец-то была открыта первая частица с ненулевым очарованием — нейтральный D-мезон, комбинация очарованного кварка и u-антикварка. Тут уж последние противники кварковой модели признали ее правоту. Как выразился известный физик-теоретик Джон Эллис, «очарование стало тем рычагом, который перевернул мир». Позднее были открыты еще два массивных кварка, top и bottom, которые без труда были интегрированы в систему Стандартной модели. А в последние годы экспериментаторы обнаружили экзотические четырехкварковые состояния — тетракварки, или, как их еще называют, адронные молекулы.

Мысли о научных революциях

Новое понимание природы субатомных частиц, основанное на единой теории электрослабого взаимодействия и теории кварков, бесспорно заслуживает титула научной революции. Ее началом можно считать открытие странных частиц в 1947 году, а завершением — обнаружение очарованного мезона. Получается, что эта новейшая (и пока последняя) революция в физике длилась 29 лет.

Много это или мало? Первая революция в химии, в ходе которой была опровергнута теория флогистона, потребовала 24 года. Джеймс Клерк Максвелл опубликовал основы теории электромагнитного поля в 1864 году, но большинство физиков приняло ее лишь после того, как в 1887-1888 годах Генрих Герц открыл предсказанные Максвеллом электромагнитные волны. Квантовая революция, начатая в 1900 году Максом Планком, завершилась в конце 1920-х. Эйнштейновская революция, в ходе которой были пересмотрены ньютоновские представления о пространстве, времени и тяготении и развиты первые успешные космологические модели, растянулась примерно на четверть века. Первая революция в науке о наследственности, начатая в 1865 году Грегором Менделем и завершенная созданной к 1913 году хромосомной теорией, заняла полвека. Так что научные революции — дело долгое.