Нобелевские премии. Ученые и открытия - Валерий Чолаков

Через несколько лет оказалось, что Саката действительно уловил определенные закономерности в мире частиц. Его теория получила дальнейшее развитие и, по существу, была поставлена на новую основу Марри Геллманом и Джорджем Цвейгом. В 1964 г. они выдвинули гипотезу субчастиц, из которых построены нуклоны, мезоны и гипероны. Это — одно из самых последних и важнейших событий в физике, которое заслуживает самостоятельного рассмотрения.

Кварки. Великое объединение

В начале 60-х годов к нескольким элементарным частицам, которые физики считали составными частями атома, добавилось еще около 200… Это повергло ученых в уныние. Пытаясь найти выход из создавшегося положения, ученые стали разрабатывать теории, в которых предполагалось, что большинство известных элементарных частиц построены из субчастиц. Они и были признаны истинно элементарными.

Одной из таких теорий, которая впоследствии получила всеобщее признание, является гипотеза кварков. Она была предложена в 1964 г. Марри Геллманом, профессором Калифорнийского технологического института, и независимо Джоржем Цвейгом, молодым сотрудником того же института. В свете этой теории протон и нейтрон представляют собой различные комбинации двух типов кварков (так называемых «ароматов»), обозначаемых латинскими, буквами u и d. Эти обозначения происходят от английских слов up и down (что значит «верх» и «низ») и связаны с определенными квантовыми характеристиками кварков. Нейтрон и протон состоят из трех кварков: протон — из uud, а нейтрон — из udd; u-кварк имеет электрический заряд 2/3, d-кварк —1/3. Эти комбинации кварков как раз и дают заряд протона, равный 1, и нейтрона — 0.

Чтобы объяснить строение странных частиц, был введен третий s-кварк (от английского слова strange, что значит «странный»). Странные частицы не могут превращаться в протоны и нейтроны, поэтому для их характеристики Геллман ввел в 1953 г. новое квантовое число — странность, он же открыл закон сохранения странности.

Согласно кварковой модели, мезоны также являются составными частицами, состоящими из кварка и антикварка.

Названные выше частицы относятся к группе адронов (их модель предложил в 1969 г. Дж. Цвейг), которые участвуют в сильных взаимодействиях. Таким образом их большое разнообразие удалось свести всего к трем типам кварков. Кроме них к числу истинно элементарных частиц (т. е. не имеющих внутренней структуры) относятся так называемые лептоны: электрон, мюон, а также электронное и мюонное нейтрино. Гипотеза кварков ознаменовала собой начало нового этапа в развитии физики микромира. Ее значение столь же велико, как и открытия структуры атома в начале века. Экзотическое название quark («кварк») было заимствовано Геллманом из книги известного английского писателя Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Между прочим, в английском и немецком языках название «кварк» имеет особый вид простокваши[4].

Создание кварковой модели с самого начала произвело огромное впечатление, и большинство физиков не сомневались, что присуждение Геллману Нобелевской премии — это лишь вопрос времени. Тем не менее в Стокгольме не торопились, и лишь через 5 лет, в 1969 г., Геллману была присуждена Нобелевская премия по физике.

Еще в 1964 г., когда Геллман и Цвейг постулировали существование 3 кварков, Джеймс Бьёркен и Шелдон Глэшоу предложили дополнить систему Геллмана — Цвейга четвертым кварком, который дал возможность строить новые комбинации и описывать состояние новых частиц. Введение еще одного кварка позволило разрешить многие проблемы, мучившие теоретиков, и, быть может, именно испытываемое чувство удовлетворения побудило физиков назвать связанное с этим кварком новое квантовое число очарованием. Сам же кварк был назван очарованным; он обозначается латинской буквой с (от английского charm, что значит «очарование»). Одним из следствий введения с-кварка явилось предсказание существования нового типа мезонов, состоящих из с-кварка и соответствующего антикварка. Эти частицы, относящиеся к группе адронов, были открыты в 1974 г. одновременно двумя группами исследователей.

Одна из групп, возглавляемая профессором Массачусетского технологического института Сэмюэлом Тингом, после нескольких лет исследования открыла частицу, которая была названа джи-частицей. Открытие было сделано при изучении процессов взаимодействия гамма-излучения с веществом (т. е. с адронами) и адронов с адронами. При этом образуется пара электрон — позитрон. В частности, эксперименты, проведенные весной 1974 г., в ходе которых исследовалось взаимодействие протонов с атомными ядрами мишени, указывали на возможность существования массивной частицы с эквивалентной энергией 3.1 ГэВ (1 ГэВ = 109 эВ). Для сравнения можно сказать, что выраженная в единицах энергии масса пи-мезона составляет 140 МэВ, а протона — 939 МэВ.

Параллельно в Станфордеком университете (шт. Калифорния) работала группа под руководством Бертона Рихтера. На большом линейном ускорителе исследовалось образование адронов при столкновении позитронов и электронов больших энергий. При энергии порядка 3.2 ГэВ была открыта частица, которая распадалась на нуклоны. Рихтер назвал ее пси-частицей.

Так, в результате работы двух групп в науку вошла новая частица. Обе группы опубликовали свои результаты одновременно — в декабре 1974 г. Было установлено, что частица относится к классу мезонов и состоит из с-кварка и его античастицы. Вскоре было открыто несколько видов таких частиц, и они получили общее название «пси-частицы». Она состоит из двух кварков, связанных так же, как позитрон и электрон в позитронии. Оказалось, что эта частица относится к новому семейству частиц, получивших название «очарованные». Позитрон и электрон связаны в атоме позитрония электромагнитным взаимодействием, которое описывается в квантовой электродинамике. Два кварка в очарованной частице связываются посредством так называемого цветного взаимодействия, которое изучается квантовой хромодинамикой. Новая квантовая характеристика «цвет» была введена, Геллманом и Цвейгом, чтобы удовлетворить принципу Паули. (Разумеется, здесь цвет является лишь условным, наименованием, используемым для «маркировки» кварков, и не имеет ничего общего с обычными цветами).

Согласно этому принципу, две (или более) тождественные частицы с полуцелым спином, входящие в одну физическую систему, не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Однако предсказанная Геллманом теоретически и впоследствии обнаруженная экспериментально частица омегаминус-гиперон, состоящая из трех s-кварков, оказалась именно такой системой. Чтобы спасти положение, ввели новое квантовое число — цвет. Если принять, что три s-кварка отличаются по цвету, то все становится на свои места.

Цвет можно рассматривать как аналог электрического заряда. Считается, что кварки связаны между собой специфическим цветным взаимодействием, носителем которого является частица, названная глюоном (от английского glue, т. е. «клей»). По аналогии с квантовой электродинамикой эта новая область квантовой теории поля получила название квантовой хромодинамики.

Открытия Рихтера и Тинга явились убедительным свидетельством в пользу гипотезы кварков и хромодинамики. Поэтому уже в 1976 г. Нобелевский комитет присудил этим двум исследователям премию по физике. Таким образом, награждение состоялось спустя менее двух лет после опубликования результатов исследований.

Какова же современная картина классификации элементарных частиц? Выяснилось, что к четырем уже названным кваркам следует добавить еще b-кварк (от англ. beauty, что значит «красота») и t-кварк (от англ. truth— «истина»). Эти шесть кварков различаются между собой по характеристикам, называемым ароматами, и группируются в три семейства, причем каждое из них встречается в трех цветах: красном, желтом и синем. Шесть «ароматов» по три цвета составляют, таким образом, 18 элементарных частиц; кроме того, существует семейство лептонов, куда входят электрон, мюон и тау-частица, а также электронное, мюонное и тау-нейтрино, т. е. лептонов всего шесть. Если их добавить к 18 кваркам, то фундаментальных частиц становится 24, а с учетом их античастиц — 48. Это, пожалуй, слишком много, чтобы их можно было считать совершенно элементарными.

Разрабатываются новые модели, согласно которым даже эти частицы состоят из субчастиц. Но эти модели весьма гипотетичны, поскольку в настоящее время наука не располагает экспериментальными данными, которые могли бы подтвердить или опровергнуть их. Гигантские ускорители уже достигли предела своих возможностей, а строительство еще более мощных — очень трудное и дорогостоящее дело. Это побуждает физиков обратить взгляд в космос. Во Вселенной вещество может находиться в таких состояниях, когда проявляются его фундаментальные свойства. Может быть, внимательно прислушиваясь к сигналам, идущим из Вселенной, мы получим возможность понять нечто большее о мире, в котором живем.