Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Казалось бы, все хорошо, но, помимо проблем наблюдения, сразу же возникает противоречие: согласно принципу запрета Паули, никакие два фермиона не могут, имея одинаковыми все квантовые числа, находиться точно в одинаковом положении, а в этих моделях одинаковые кварки занимают одно и то же положение (в резононе Δ⁺⁺, который был открыт еще Ферми в рассеянии π⁺-мезона на протоне и имеет двойной заряд и спин ³/₂, оказалось три u-кварка в одинаковом состоянии!). Эту проблему пришлось разрешать привычным образом — вводить новое квантовое число: поскольку в частице не более трех кварков, то это число может принимать три значения, и его назвали «цвет» — Н. Н. Боголюбов, А. Н. Тавхелидзе и др. (по аналогии с синтезом любого видимого цвета из трех составляющих: красного, зеленого, синего). Таким образом, например, омега-минус-гиперон нужно писать как Ω^- = s_кs_зs_с — все кварки различны и поэтому могут иметь остальные квантовые числа одинаковыми. Наблюдаемые частицы должны быть бесцветными, т. е. барионы должны содержать кварки всех трех цветов, а мезоны — по кварку и антикварку одинакового цвета. После этого законы взаимодействия между «цветными» кварками были, естественно, названы квантовой хромодинамикой (о ней — в следующем разделе).

Но довольно скоро выяснилось, что тремя кварками ограничиться нельзя.

В ноябре 1974 г. двумя группами экспериментаторов под руководством Бартона Рихтера (р. 1931) и Сэмуэля С. С. Ткнга (р. 1936) при исследовании аннигиляции позитронов и электронов из встречных пучков коллайдера были обнаружены очень узкие и поэтому необычно долго живущие резонансы. Эти группы обнаружили их одновременно и дали им разные названия, они так и обозначаются двумя значками как J/ψ или J/пси, а само открытие долго называли «Ноябрьской революцией» — оно отмечено Нобелевской премией 1976 г.

Открытие вызвало поток гипотез и множество теорий. Для объяснения причин, которые мешают им распадаться с нормальной для частиц такой массы скоростью, пришлось ввести еще одно квантовое число, помимо странности, и соответствующий кварк, названный очарованным (обозначается как с — от английского charm, в русском языке превалирует французское произношение: шарм). Этот кварк имеет электрический заряд в ²/₃е, как у u-кварка, но у него добавочно есть квантовое число с = +1. Частица J/ψ является связанным состоянием с-кварка и его антикварка со спином 1. Такое состояние может распасться только на три глюона, причем с большими энергиями — поэтому-то этот распад происходит медленно, а эти глюоны уже с обычной скоростью превращаются в кварк-антикварковые пары и т. д. Потом были обнаружены и барионы, в состав которых входит и очарованный (шармированный) кварк.

Ну а позже пришлось ввести еще два кварка: b-кварк (красивый, от английского beauty) в 1977 г. и t-кварк (верхний или истинный от top или truth) в 1994 г. — каждому из них соответствуют свои квантовые числа. Все эти новые квантовые числа уже как-то неудобно называть «зарядами», и поэтому для них ввели новый термин: «ароматы» (u-d или обычный, s, с, b, t).

Для исследований свойств кварков очень важны структуры кварк-антикварк, их называют кваркониями: можно рассматривать разные уровни энергии в этих образованиях в зависимости от их полного момента — это ведь некоторый аналог системы уровней Бора в атомах. А время их жизни и продукты аннигиляции кварка и антикварка — важнейший источник сведений о них.

Мы не выписывали величины масс кварков, они оцениваются пока что с очень большой неопределенностью: масса u-кварка в 2-10 раз больше массы электрона, d-кварк вдвое тяжелее, масса s-кварка в интервале 8-16 % массы протона, с-кварк несколько тяжелее протона, b-кварк в 4 раза тяжелее, а вот t-кварк может иметь колоссальную массу, чуть ли не порядка массы атома урана!

Измерения этих масс весьма приблизительны из-за того, что никто не видел и, возможно, никогда не увидит кварков в свободном состоянии: если в привычных нам ядерном, гравитационном или электромагнитном взаимодействиях их сила падает с расстоянием, то с кварками положение, видимо, иное — сила притяжения между ними растет с расстоянием (можно провести аналогию с нарастанием силы при растяжении пружины). Поэтому и возникает проблема не-вылета или удержания кварков — ее называют обычно «проблемой конфайнмента», без перевода с английского на русский.

Итак, сейчас экспериментально зафиксировано шесть кварков, каждый из которых может быть трех цветов, и шесть лептонов (мы пока не рассматривали кванты полей, переносящих взаимодействие между ними). Существующие теории не требуют наличия еще каких-либо кварков или лептонов, но ручаться головой, что их больше нет и что именно они представляют собой последние кирпичики мироздания, вряд ли стоит.

Раздел III Изобретать, чтобы наблюдать: микроскопы, лазеры, коллайдеры Глава 1 Эволюция микроскопа