Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения - Барри Паркер

Через пару месяцев Хофт вновь зашёл к Вельтману и сообщил, что решил задачу. Вельтман с сомнением выслушал его. Каково же было его удивление, когда он обнаружил, что идеи Хофта имеют смысл. По предложенной Хофтом методике он составил программу для ЭВМ, и оказалось, что на каждую отрицательную бесконечность находится положительная, так что в итоге они все сокращаются. Теорию удалось сделать перенормируемой! Очень скоро все бросились разыскивать статьи Салама и Вайнберга 1967 года – ведь теперь они позволяли выполнять расчёты, которые, как оказалось, прекрасно соответствуют эксперименту. Дальнейшим подтверждением теории явилось открытие предсказанных ею нейтральных токов, связанных с Z0-частицами. В 1979 году Вайнбергу и Саламу, а также Шелдону Глэшоу была присуждена за их работу Нобелевская премия по физике.

В начале 50-х годов число «элементарных» частиц стало превышать все разумные пределы. Некоторые из них гораздо больше походили на «резонансы», чем на элементарные частицы. Они вели себя как короткоживущие возбуждённые состояния известных частиц. Естественно, возник вопрос, как частицы связаны между собой и есть ли вообще эта связь?

Среди вновь открытых частиц особенно загадочными выглядели K-мезоны и гипероны. Они рождались в ходе сильных взаимодействий и, как все тяжёлые частицы, распадались за короткое время – менее чем за одну миллиардную долю секунды. Может показаться, что это невероятно короткое время, но только не для физиков: если бы частицы распадались в результате сильных взаимодействий, время распада должно было бы быть ещё в миллиард раз меньше. Большой срок жизни означает, что распад происходит в результате слабых взаимодействий. Поведение частиц было настолько необычным, что их так и назвали странными.

Примерно в 1953 году поведением этих частиц занялся Мюррей Гелл-Манн. Как Швингер и Фейнман, Гелл-Манн тоже был вундеркиндом. В 15 лет он поступил в Йельский университет, а закончил Массачусетский технологический институт, защитив в 21 год докторскую диссертацию. В 1955 году он занял профессорскую должность в Калифорнийском технологическом институте, не достигнув и 27 лет. В отличие от многих своих коллег он интересовался не только физикой и математикой. Я сам слышал, как перед одной из его лекций ведущий произнёс: «Профессор Гелл-Манн говорит на всех существующих языках и даже по-собачьи».

Занявшись новыми частицами, Гелл-Манн вскоре ввёл понятие «странность». Странность – это новое квантовое число, подобное уже известным. Странность нейтронов, протонов и пионов равна нулю, а такие частицы, как K-мезоны и гипероны, имеют странность, равную +1, -1 и -2. Согласно теории Гелл-Манна, введённое им число сохраняется при всех ядерных реакциях с участием сильных взаимодействий. Это означает, что полная странность до реакции должна быть равна полной странности после реакции. С помощью своей идеи ему удалось объяснить большое время жизни странных частиц.

В 1961 году Гелл-Манн и израильский физик Ювал Нееман применили теорию групп в новом методе, который они назвали восьмеричным (он основывается на восьми квантовых числах). При помощи этого метода им удалось распределить элементарные частицы по семействам в зависимости от таких параметров, как странность и изотопический спин. В результате получились изображённые ниже структуры. На левой верхней схеме изображено семейство n-p, состоящее из нейтрона, протона и частиц ?, ?, ?. Некоторые из семейств имеют восемь членов, другие – десять, но все члены одного семейства имеют одинаковый спин и различаются лишь зарядом и странностью.

Полученные диаграммы чем-то похожи на периодическую систему элементов. Её автор, Д. И. Менделеев, создавая свою систему, не знал, почему элементы в ней располагаются именно так (это выяснилось гораздо позже), но увидел, что в ней остаются пустые клетки. Это позволило ему предсказать существование ряда неизвестных ранее элементов. Гелл-Манн и Нееман также не понимали смысла своих диаграмм, но, как и в периодической системе, одна из них оказалась не до конца заполненной (пустым оставался нижний угол треугольника). Благодаря диаграмме оказалось возможным предсказать свойства неизвестной частицы, и в Брукхейвене начались её интенсивные поиски. Пришлось сделать более 50 тысяч фотографий, но в 1963 году её всё-таки удалось найти. До того многие физики скептически относились к работе Гелл-Манна, полагая, что это несерьёзное, хотя и занятное жонглирование цифрами. Однако открытие предсказанной им частицы, получившей название ?- (омега минус), заставило научный мир пересмотреть своё отношение. Это был триумф новой методики.

Группировка элементарных частиц согласно восьмеричному методу

Однако оставалась ещё одна проблема – почему этот метод сработал? Видимо, должна существовать какая-то более глубокая структура частиц, лежащая в основе восьмеричного метода. Когда Гелл-Манн занялся этой проблемой в начале 60-х годов, он не 197 знал, что в Европе над ней работал другой физик – Георг Цвейг. Они независимо друг от друга обнаружили, что обоснованием восьмеричного метода может служить наличие внутри адронов других, ещё более элементарных частиц. Цвейг назвал их тузами, но прижилось имя, данное им Гелл-Манном – кварки (он взял это слово из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где есть такая фраза: «Три кварка для мастера Марка»).

Мюррей Гелл-Манн (родился в 1929 году)

Согласно теории Гелл-Манна имеются кварки трёх типов («ароматов»), которые называют u-, d-, s-кварки. Каждый из них имеет спин 1/2, а вот заряд, как ни странно, равен не целому заряду электрона, а одной или двум его третям. Так же как частицам соответствуют античастицы, каждому кварку соответствует антикварк. Все барионы состоят из трёх кварков; например, протон содержит два u-кварка и один d-кварк, а нейтрон – два d-кварка и один u-кварк. Мезоны же состоят из кварков и антикварков; например, ?-мезон состоит из одного u-кварка и одного d-кварка.

u u dp d d un u d?+

Теория была превосходна; она полностью объясняла восьмеричный метод и предсказывала строение всех известных частиц. Третий кварк, s-кварк, использовался только для описания структуры странных частиц, а обычные частицы содержали лишь u- и d-кварки. Однако, несмотря на все успехи, оставался ряд трудностей. Одна из основных проблем заключалась в том, что кваркам приписывался спин 1/2, следовательно, они должны были подчиняться так называемой статистике Ферми-Дирака. Согласно этой статистике одинаковое энергетическое состояние могут иметь только две частицы с противоположно направленными спинами. Однако ?--частица согласно теории должна была содержать три s-кварка, находящихся в одном и том же энергетическом состоянии.

Эту трудность удалось преодолеть в 1964 году, когда О. Гринберг выдвинул предположение о том, что каждый из трёх ароматов кварков подразделяется на три разновидности. Сейчас их называют цветом, хотя они не имеют ничего общего с обычным цветом. Цвет – аналог заряда или нечто подобное заряду

Квантовая электродинамика

электрон, заряд, фотон,

Квантовая хромодинамика

кварк, цвет, глюон,

После детальной проработки предложения Гринберга учёным удалось преодолеть не только трудности, связанные со статистикой, но и ряд других. В новом варианте теории барионы по-прежнему состоят из кварков трёх различных ароматов, но теперь каждый из кварков имеет свой цвет; т.е. кварки обладают как зарядом, так и цветом. Существенно, однако, что три цвета в сумме должны давать белый, поскольку частицы не окрашены. Мезоны также по-прежнему состоят из кварка и антикварка, но таких, которые в сумме дают белый цвет. Подобно тому как заряды противоположных знаков дают в итоге нейтральную частицу, цвет и антицвет дают неокрашенную частицу (три цвета тоже могут взаимно нейтрализовывать друг друга).

Вскоре было обнаружено, что цвет важнее аромата. Фундаментальным триплетом является не аромат, а цвет (позже мы увидим, что аромат нельзя считать триплетом). Благодаря этому результату удалось сделать существенный шаг вперёд – создать локальную калибровочную теорию, а во всякой такой теории, как известно, должна быть частица-переносчик. Эту новую частицу назвали глюоном (от английского слова «glue» – «клей», эти частицы как бы склеивают нуклоны и не дают им распасться). Глюоны также окрашены, имеют равный единице спин и, подобно фотонам, лишены массы; правда, в отличие от единственного фотона, они подразделяются на восемь различных типов. Другим отличием является то, что благодаря цвету глюоны взаимодействуют между собой, а не имеющие заряда фотоны не взаимодействуют друг с другом.