Изначально физики-экспериментаторы собирали ускорители для разгона протонов, потому что их относительно просто получить – для этого достаточно от атома водорода «оторвать» электрон (такой процесс называется ионизацией). Идею самого первого ускорителя протонов предложил американский физик Эрнест Лоуренс (1901–1958) в 1929 году, а реализовал в 1931‐м. Основной принцип, положенный в основу работы ускорителя Лоуренса, заключался в том, чтобы при помощи магнитных полей заставить заряженные частицы двигаться по окружности[118] и постепенно их разгонять. Заметим, что само магнитное поле просто закручивает траектории частиц, а не разгоняет их. Но если эти частицы периодически подталкивать короткими электрическими импульсами, то тем самым можно разогнать их до очень высоких скоростей. Ускоритель, работающий по такому принципу, получил название циклотрон. В нем траектории частиц представляют собой спирали, расширяющиеся по мере увеличения скорости. Самый первый циклотрон, построенный Лоуренсом, представлял из себя диск диаметром чуть более 10 см и помещался на ладони. Но уже к концу 1940‐х годов физики строили циклотроны размером с небольшое здание.
Однако при увеличении размеров ускорителей росла и энергия разгоняемых частиц, а их скорость приближалась к скорости света – так что начинали проявляться различные релятивистские эффекты, которые уже нельзя было игнорировать (иначе частицы переставали разгоняться, а пучки разлетались по всему кольцу). Поэтому следующим этапом развития ускорителей стал синхротрон, идею которого предложили независимо друг от друга советский ученый Владимир Иосифович Векслер (1907–1966) – в 1944 году, и американский физик Эдвин Макмиллан (1907–1991) – в 1945 году. При работе синхротрона электрические поля генерируются таким образом, чтобы подгонять в основном отстающие частицы, а тем, что ускорились слишком сильно, давать меньший импульс. Магнитные поля при этом должны увеличиваться синхронно с увеличением энергии частиц, чтобы их траектории оставались круговыми, а не раскручивались по спирали. Тогда частицы не распыляются по всему кольцу, а группируются в виде небольшого пучка, летящего по орбите постоянного радиуса. Все современные циклические ускорители работают по этому принципу.
Синхротроны позволили ученым разогнать протоны до колоссальных энергий. И тут с частицами начали происходить очень странные вещи. При их столкновениях среди осколков, разлетающихся в разные стороны, начали попадаться всё новые и новые частицы. Их стали фиксировать благодаря тому, что параллельно с развитием ускорителей совершенствовались и методы детектирования. Чуть ли не каждую неделю приходили сообщения об открытии очередной элементарной частицы. Да, это были нестабильные частицы, и через очень короткие промежутки времени они распадались. Время жизни некоторых из них составляло от 10–24 до 10–22 с. Но тем не менее все они отчетливо фиксировались детекторами. Так что у физиков не было никаких сомнений в существовании обнаруженных частиц.
Этим новым частицам давали необычные названия: К-мезоны, лямбда-гипероны, резонансы и т. д. Все это выглядело, как какой-то «зоопарк»[119]: вновь открытые частицы вели себя порой очень странным образом, распадались, превращались в другие частицы, опять распадались. Физики-экспериментаторы бросились изучать свойства всех этих частиц. Оказалось, что масса многих из них была значительно больше общей массы сталкивающихся частиц. Но как такое может быть? Как «осколки»[120] могут весить больше, чем целые частицы? Обычная квантовая механика не дает ответов на такие вопросы. Поэтому физикам пришлось привлечь для объяснения этих эффектов специальную теорию относительности, в которой разрешается переход энергии в массу и обратно[121]. То есть все эти новые частицы не «живут» внутри протонов, а рождаются в момент их столкновения из той энергии, до которой их разогнали. И чтобы все эти превращения описать, нужна была новая теория. Такое объединение квантовой механики и специальной теории относительности получило название квантовой теории поля.
Вопрос 56. Что такое кварки и сколько их вообще?
После того, как на более мощных ускорителях открытия новых элементарных частиц посыпались как из рога изобилия, физики поняли, что нужно наводить хоть какой-то порядок в возникшем «зоопарке». Ведь уже к началу 1960‐х годов элементарных частиц было открыто уже около сотни. Даже больше, чем химических элементов в таблице Менделеева. Всё это наводило на мысли о том, что не такие уж они элементарные. Но из чего же тогда они все состоят? Существуют ли еще более мелкие частички материи?
Оказалось, что да. После того, как американский физик-теоретик Мюррей Гелл-Ман (1929–2019) предложил в 1961 году Восьмеричный путь – новую схему классификации элементарных частиц – стала очевидна некоторая закономерность свойств, которыми обладают открытые к тому времени частицы. В этой схеме все частицы группировались по определенному принципу схожести свойств в несколько классов или семейств. В этих семействах было 8, 15, 15, 21, 24 и т. д. частиц. А через некоторое время выяснилось, что точно такой же ряд чисел встречается в совершенно никак не связанном (как тогда считали) разделе абстрактной алгебры – теории групп Ли. Эта теория указывала, что конечномерные представления группы SU(3)[122] имеют в точности такие размерности: 8, 15, 15, 21, 24 и т. д. С одним единственным отличием – в теории групп Ли было еще одно число в самом начале этого ряда. Число 3. Причем все представители остальных семейств получаются из этих трех при помощи специальной математической операции (что-то наподобие умножения). То есть это самое первое семейство как бы генерировало все остальные. Это навело ученых на мысль о том, что скорее всего в природе существуют некие три частички, из которых состоят все остальные. И эти частички назвали кварками.
Слово «кварк» впервые прозвучало в известном романе ирландского писателя Джеймса Джойса (1882–1941) «Поминки по Финнегану», опубликованном в 1939 году. Само это слово (как и многие другие выдуманные в этом романе слова) ничего не означало, но в одном из эпизодов чайка выкрикивала фразу «Три кварка для Мистера Марка». Фраза так запомнилась Гелл-Ману, что он решил использовать это странное слово для названия новых гипотетических частиц.
А кварки действительно обладают очень необычными свойствами. Один из них, кстати, так и назвали – странный кварк или s-кварк (от англ. strange). А два других получили названия верхний кварк или u-кварк (от англ. up) и нижний кварк или d-кварк (от англ. down). Помимо этих трех типов кварков со временем физики открыли еще три. Им дали названия очарованный кварк или c-кварк (от англ. charm), прелестный кварк или b-кварк (от англ. beauty) и, открытый самым последним в экспериментах 1994–1995 годов, истинный кварк или t-кварк (от англ. truth)[123].
Так что же в кварках такого необычного? К примеру, их электрический заряд должен быть дробным: +2/3 или –1/3 от элементарного заряда[124]. В этой модели протоны будут состоять из трех кварков: два u-кварка и один d-кварк (uud), нейтроны – тоже из трех кварков: одного u-кварка и двух d-кварков (udd), а вот пи-мезоны состоят только из двух: одного u-кварка и одного анти-d-кварка («анти», чтобы суммарный электрический заряд был +1). Точно так же из других комбинаций кварков можно составить остальные тяжелые элементарные частицы. Помимо электрического заряда, у кварков есть присущий только им цветовой заряд: красный, зеленый или синий[125]. Взаимодействие между кварками происходит посредством принципиально нового фундаментального взаимодействия – его назвали сильным взаимодействием. Сильное взаимодействие осуществляется посредством обмена специальными частицами – глюонами[126] (от англ. glue – клей), открытыми в 1979 году.
Но самое важное и интересное свойство кварков – это конфайнмент. Именно из-за него невозможно наблюдать (даже теоретически) отдельные свободные кварки, а только их связанные комбинации, состоящие из двух, трех и более кварков. Дело в том, что взаимодействие между кварками устроено совсем иначе, чем гравитация или электромагнетизм, которые убывают с расстоянием. Кварки, напротив, неподалеку друг от друга чувствуют себя достаточно свободно и могут перемещаться, как им заблагорассудится. Но как только какой-то из кварков начинает удаляться, силы притяжения между ними кратно увеличиваются. Как если бы кварки были связаны маленькими пружинками или резиновыми веревками, которые растягиваются при удалении кварков друг от друга и стремятся вернуть их обратно.
Хорошо, скажете вы, а что если мы схватимся за один из кварков и попытаемся вытянуть его, например, из протона? На практике схватить такой мелкий объект мы, конечно, не можем. Но что-то аналогичное может произойти при столкновениях частиц: налетающая частица может врезаться в один из кварков и попытаться выбить его из протона. Что же будет происходить в этом случае? При удалении нашего кварка от двух оставшихся силы притяжения между ними будут возрастать (пружинки будут всё сильнее натягиваться), пока в какой-то момент они не оборвутся. И тогда вся накопившаяся энергия связи, которая к тому моменту уже станет достаточно большой, по формуле Эйнштейна E = mc2 преобразуется в материю, т. е. в два новых кварка[127]. Один из них присоединится к тому, за который мы тянули (и мы получим мезон, состоящий из двух кварков), а второй займет освободившееся место в протоне. Так что, даже если очень постараться, получить отдельный кварк абсолютно невозможно.