Современная Стандартная модель элементарных частиц была построена после того, как ученые обнаружили особые субатомные частицы — кварки и создали кварковую модель адронов. Одним из первооткрывателей кварков был Марри Гелл-Манн, ушедший из жизни несколько дней назад. Мы решили рассказать подробнее о том, как физики пришли к этим открытиям и что они изменили в нашем представлении о строении Вселенной.

Появление странных частиц

После Второй Мировой войны картина микромира выглядела просто и понятно. Нуклоны (протоны и нейтроны) и электроны входили в состав атомов, а предсказанные в 1935 году и открытые спустя двенадцать лет пионы (пи-мезоны, как их тогда называли) отвечали за притяжение нуклонов в атомных ядрах.

Предсказанные еще до пионов, но еще не детектированные нейтрино были настолько нужны для объяснения бета-распадов атомных ядер, что их существование не вызвало сомнений. Каждой частице полагалась античастица, и некоторые из них уже были обнаружены.

Не при деле остались лишь мюоны, тяжелые и крайне нестабильные аналоги электронов, которые рождались при распадах заряженных пионов и превращались в нейтрино и электроны или позитроны. Физики не очень понимали, почему пионы не порождают эти стабильные частицы без промежуточной инстанции в лице распадающихся мюонов.

Эта модель субатомного мира ненадолго пережила открытие пионов. Начало ее краху положила статья манчестерских физиков Джорджа Рочестера и Клиффорда Батлера, опубликованная в 1947 году в журнале Nature. Изучая космические лучи с помощью камеры Вильсона, они заметили на одной из фотографий пару треков с общим началом. Поскольку в магнитном поле эти треки расходились как латинское V, Рочестер и Батлер поняли, что они порождались заряженными частицами разных знаков (позже выяснилось, что это были пионы).

Соавторы 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 мегаэлектронвольт, что в тысячу раз больше массы электрона. Не мудрствуя лукаво, первооткрыватели нарекли ее просто V-частицей.

Это было лишь 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. Позже выяснилось, что и она, и V-частица Рочестера и Батлера — различные представители семейства из четырех частиц, названных К-мезонами, или каонами.

Два заряженных каона имеют массу 494 мегаэлектронвольт, а два нейтральных — 498 мегаэлектронвольт. Интересно, что Рочестер с Батлером в 1947 году также 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 эта информация появилась в печати только 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 загадочно. Они возникали в процессах сильных ядерных взаимодействий и при этом сами 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, позволивший в изобилии получать и каоны, и Λ-частицы. Однако время их жизни составляло 10^-10 — 10^-13 секунд, а тогдашняя теория ограничивала его 10^-23 секундами. Более того, они появлялись только парами и никогда поодиночке.

Для объяснения этой загадки Гелл-Манн и японцы Тадео Накано и Казухико Нишидзима 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, равнялась нулю.

Рассмотрим эту схему на примере возникновения нейтрального каона и Λ-частицы при столкновении протона и отрицательного пиона. Коль скоро сумма странностей исходных частиц нулевая, 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.

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 мегаэлектронвольт и две частицы (отрицательно заряженная и нейтральная) с массой около 1320 мегаэлектронвольт, 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 — следовательно, являются фермионами.

Марри Гелл-Манн

wikimedia commons

В поисках системы

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 Энрико Ферми, — то 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, как единственный представитель квантов электромагнитного поля. Тридцатка частиц конца 1950-х как раз и состояла из фотона, шести лептонов, семи мезонов и шестнадцати барионов.

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 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 подзабыта, хотя в свое время 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 Не’еман, 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 Не’еман 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 физики уже много лет 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 Не’еман 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 XX века изучил великий французский математик Эли Картан.

Гелл-Манн в качестве маркеров систематизации 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 -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, который Будда указал как дорогу к нирване.

Гелл-Манн и Не’еман 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 Не’еманом предсказали и десятый резонанс с зарядом минус 1, странностью минус 3 и массой около 1685 мегаэлектронвольт. 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 мегаэлектронвольт. Это стало триумфом систематики адронов, основанной на SU(3)-симметрии.

От кворков к кваркам

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 тогда выглядело чистой фантастикой, 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 его 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 (выбрав это звукосочетание наугад) и упомянул в лекции в МТИ — 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.

Работа Цвейга 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.

Стэнфордский линейный ускоритель, на котором впервые экспериментально было доказано существование кварков

Появление цвета

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 первым решил в 1964 году американский физик Оскар Гринберг, предложивший снабдить кварки дополнительным квантовым числом, которое может принимать три значения. В начале следующего года эту же идею с большей определенностью выдвинул киевский физик Борис Струминский, чье предложение поддержали и развили Николай Боголюбов и Альберт Тавхелидзе; в США через несколько месяцев к тому же выводу пришли будущий нобелевский лауреат Йоитиро Намбу и его соавтор Му Ён Хан.

Позднее это новое квантовое число было названо цветом, или цветовым зарядом (над чем, к слову, посмеялся Ричард Фейнман), а три его значения обозначены как красный, синий и зеленый.

Это была не единственная серьезная проблема кварковой модели. Сначала не было понятно, как кварки взаимодействуют друг с другом и почему не переходят из связанных состояний в свободные.

Ответы на эти вопросы были получены на основе теории калибровочных полей, которая оформилась в первой половине 1970-х годов и позволила построить Стандартную модель элементарных частиц. В рамках этой теории взаимодействия между кварками переносятся электронейтральными бозонами с нулевой массой покоя — глюонами. Кварковая модель адронов (она же квантовая хромодинамика) стала естественной частью Стандартной модели.

Экспериментальных подтверждений существования кварков пришлось ждать несколько лет. Они начали появляться в конце 1960-х, когда удалось прощупать протоны быстрыми электронами в сильно неупругих столкновениях.

Эти эксперименты, проводившиеся на Стэнфордском линейном ускорителе, позволили предположить, что внутри протонов скрыты 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 обнаружены еще два массивных кварка, top и bottom, которые без труда были интегрированы в систему Стандартной модели. По всей вероятности, других кварков в природе нет — во всяком случае, об этом говорит современная космология.

С теорией кварков связаны еще два лингвистических нововведения Гелл-Манна. Термин «цветовой заряд», color charge, появился в 1972 году в статье Гелл-Манна и Харальда Фрича. На следующий год они вместе с профессором Бернского университета Генрихом Лойтвилером опубликовали статью «Advantages of the color octet gluon picture», от которой пошло название «квантовая хромодинамика», quantum chromodynamics.

Напоследок нельзя не отметить одно обстоятельство, которое читатели, верно, уже заметили. Случилось так, что крупнейшие результаты Гелл-Манна (а мы упомянули не все) были одновременно и независимо получены и другими физиками. В новейшей истории фундаментальной физики ни о чем нельзя сказать «только Гелл-Манн», но зато о многом — «Гелл-Манн и коллеги». Не так уж удивительно для человека, который на четверть века оседлал гребень волны второй физической революции XX столетия.

Алексей Левин