Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Тот факт, что протон и нейтрон нельзя разделить на кварки, выглядит необычно в сравнении со свойствами обычных предметов: все, состоящее из нескольких деталей, можно разобрать на эти детали (или разломать на какие-то другие части), стоит только должным образом потратить энергию, превосходящую энергию связи этих деталей. Поэтому кажется, что все привычные вещи можно в принципе разложить на части – «разобрать на атомы» в качестве программы-максимум. Это верно, причем можно разобрать и сами атомы, и даже их ядра. Но почему же с протонами и нейтронами это не так? Почему в природе не наблюдаются третьи доли от заряда протона? Попробуем вырвать один кварк из протона – скажем, отбирая на ускорителе те случаи, когда при столкновении двух протонов «особенно сильно достается» одному из кварков: он получает столько энергии, что, казалось бы, может вылететь прочь из протона. Но по мере увеличения расстояния между кварками сила притяжения между ними возрастает, а вместе с ней растет энергия их связи, достигая величины 2mc², где m – масса кварка. Эта энергия принимает вид пары «кварк – антикварк», и родившийся таким образом антикварк составляет компанию тому кварку, который «почти» вырвался из протона; они улетают вместе, образовав комбинацию с непременно целочисленным электрическим зарядом. А родившийся в паре кварк заменяет собой того, который улетел, и «голого» дробного заряда снова не образуется. Если на попытку «разрушения» была затрачена большая энергия, то по сторонам может разлететься много комбинаций, составленных из кварков и антикварков, но ни одна из них не будет иметь дробного электрического заряда.

В общепринятом варианте колода F-карт имеет вид, приведенный на рис. В.3, где использованы стандартные обозначения частиц, а электрический заряд показан в левом верхнем углу. Масти (мое предложение для повышения азарта) стандартно называются столь же произвольным словом – поколения. В стандартной формулировке одно из высказываний об элементарных частицах звучит как «имеются три поколения элементарных частиц»; можно искать смысл этого слова в том, что более темные (исчезая!) рождают более светлые, но эта метафора кажется несколько натянутой. Главное же состоит в том, что, как уже было сказано, более темные карты из числа обведенных скобкой отличаются от более светлых только большей массой и из-за этого быстро претерпевают превращения.

Рис. В.3. Фермионы, входящие в Стандартную модель элементарных частиц. Числа слева вверху указывают электрический заряд. Обозначения: u – up-кварк, d – down-кварк, e – электрон, νe – электронное нейтрино, c – charm-кварк, s – strange-кварк, μ – мюон, ν_μ – мюонное нейтрино, t – top-кварк, b – bottom-кварк, τ – тау-лептон, ν_τ – тау-нейтрино

Все частицы из колоды F – фермионы, т. е. ненавистники себе подобных в силу принципа Паули: две одинаковые частицы из этого класса не могут находиться в одном и том же состоянии. Это условие первостепенно важно для того, чтобы из них можно было складывать мир: в случае взаимного притяжения одинаковые фермионы не громоздятся все в одном состоянии «друг на друге», а вынуждены образовывать какие-то более интересные конфигурации. Собрание нечетного числа фермионов – снова фермион; таковы протон и нейтрон, из которых сложены все атомные ядра.

Я обещал еще сказать про «крапленые» карты – те, которые не так просты, как кажутся. Каждый из кварков – это на самом деле одна из трех частиц, одинаковых во всем, кроме еще одного свойства, до сих пор не упоминавшегося. Это свойство, как и все другие, тоже представлено числом; оно выражает заряд по отношению к сильному ядерному взаимодействию, т. е. степень участия в этом взаимодействии. Дело здесь организовано несколько интереснее, чем в случае электромагнитного взаимодействия, где есть заряды только двух типов, положительные и отрицательные, а нейтральность – отсутствие заряда – достигается собранием положительных и отрицательных зарядов в равном количестве. В случае сильного взаимодействия имеется три пары зарядов, и в каждой паре есть свои «плюс» и «минус». Эти плюс и минус могут составить нейтральное образование описанным выше способом – собравшись в равном числе, но это работает только в пределах одной пары, а плюс из одной пары и минус из другой не дают в сумме нулевой заряд. Тем не менее между тремя парами зарядов все же имеется связь! Она состоит в том, что, взяв по плюсу из каждой пары, мы получаем нулевой заряд. Это непривычно и заслуживает комментариев.