Квантовый возраст

Все известные на сегодня элементарные частицы делятся на адроны и лептоны. Фотон, частица света, занимает особое место. Класс лептонов содержит всего шесть частиц (и соответствующие им шесть античастиц), разбитых на три пары: электрон и электронное нейтрино, мюон и мюонное нейтрино и тау-лептон со своим нейтрино. Все остальные частицы входят в класс адронов и делятся на барионы и мезоны. Барионы — это тяжелые частицы с массой не менее массы протона и с полуцелым спином. Мезоны так коротко не охарактеризуешь. Mesos по-гречески промежуточный. Масса первых открытых мезонов была промежуточной между массой протона и электрона. Позже были открыты более тяжелые мезоны, но название сохранилось. Они обладают целочисленным спином и спином ноль. Кроме того, было обнаружено огромное количество возбужденных состояний адронов, так называемых резонансов, с исчезающе малым временем жизни, порядка 10^–23 с. Итак, три с лишним сотни частиц, и каждая со своей массой, со своим временем жизни, со своим зарядом и со своим собственным характером поведения. И каждая из этих частиц, какое бы время жизни ни было ей отпущено, от 10³² лет (время жизни протона) до 10^–23 с, в течение жизни сохраняет свою индивидуальность. Ни одну из этих частиц нельзя «разбить на части», при столкновениях они просто исчезают и вместо них рождаются другие частицы. Для объяснения всего многообразия свойств и спектроскопических закономерностей этих частиц, для понимания динамики различных процессов, в которых они участвуют, возникла необходимость в их систематизации уже с учетом их внутренней структуры. Т. е. возникла необходимость считать элементарные частицы не элементарными, а составными.

В 1964 г. Гелл-Маном и Цвейгом была предложена гипотеза, согласно которой все адроны состоят из кварков: барионы — из трех кварков, мезоны — из кварка и антикварка. Кварковая схема оказалась очень удобной, а сама ситуация напоминала успешное объяснение всех свойств различных элементов таблицы Менделеева на языке трех частиц. Сначала и кварков было три. «Три кварка для мастера Марка», — это из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Оттуда и был извлечен Гелл-Маном термин «кварк». Что означает «кварк», никто не знает и знать не может, потому что слово это придумал Джойс, хотя и пишут сейчас иногда, что это какой-то сорт то ли простокваши, то ли глины. Это неважно. Важно, что кварки сегодня считаются фундаментальными частицами. Экспериментально измерены их заряды, массы и спин. Экспериментально было подтверждено существование предсказанного теорией четвертого кварка, экспериментально был обнаружен пятый кварк. Теоретики считают, что должен быть еще и шестой кварк, но он пока фигурирует со знаком вопроса. Правда, название он получил самое надежное: истинный.

Все кварки, так же как и лептоны, разбиты на три пары (названия, полученные кварками, хотя и имеют свою историю, но главным образом являются продуктом произвола): верхний u(+²/₃) и нижний d(–¹/₃), очарованный с(+²/₃) и странный s(–¹/₃), истинный t(+²/₃) и красивый b(–¹/₃). Кварки имеют полуцелый спин и несут дробный электрический заряд. В скобках рядом с обозначениями кварков стоит величина заряда. Из этих шести кварков строятся все адроны. Например, нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков и читается как udd, протон — как duu.

Как заряды и массы, так и все остальные квантовые характеристики адронов, получающиеся в кварковой схеме, совпадают с соответствующими величинами, полученными из экспериментов. Но при таком построении мы сталкиваемся с одной важной проблемой. Дело в том, что для всех частиц с полуцелым спином справедлив принцип запрета Паули, который всем частицам с полуцелым спином, так же как и электрону, для которого он был введен, запрещает находиться в одном и том же состоянии. Так что два d-кварка, входящие в состав нейтрона, например, должны отличаться друг от друга каким-то свойством, которого мы не знаем. Отметим, что дело не только в принципе Паули. Введение состояний по новому свойству имеет и другие серьезные причины. Оказалось, что для составления всего многообразия элементарных частиц достаточно всего трех различных состояний по новому свойству. Это свойство было названо «цветом». Таким образом, кварки, кроме электрического заряда, должны нести еще «цветовой» заряд. По аналогии с тремя основными цветами спектра, воспринимаемыми глазом, эти три различные состояния были окрашены в «красный», «зеленый» и «голубой» цвета. Так что кварков оказалось не шесть, а 18; каждый из шести кварков может быть красным, зеленым и голубым. Цветовые заряды в адронах комбинируются так, чтобы адроны оставались в смысле цветового заряда нейтральными, т. е. белыми.

Мы привели очень поверхностную схему. В действительности все гораздо сложнее. Так или иначе, на сегодняшний день фундаментальными составляющими материи принято считать 24 частицы: шесть лептонов и 18 кварков.