Просто о сложном: бозоны, фермионы, кварки и другие элементарные составляющие Вселенной. Существуют ли кварки или из чего состоят элементарные частицы

… Что это такое? Научные термины редко придумывают произвольно, их стараются выбирать в соответствии с характером обозначаемого явления или объекта. Позитрон, например, - носитель элементарного положительного заряда; «позитро» по-латыни значит положительный. Нейтрон - частица, не несушая электрического заряда, ее название происходит от латинского слова «нейтрум», что значит «ни то, ни другое». Адроны - группа элементарных частиц, обладающих значительными массами и сильно взаимодействующих: «адрон» по-гречески - массивный, мощный. Лептоны - слабо взаимодействующие частицы, их название на том же языке значит тонкий, нежный. Точно так же гипероны, мезоны, барионы, нуклоны, фотоны и многие другие названия микрочастиц могут быть объяснены, обоснованы, переведены с древних языков на новые. А как понять новое название «кварк»? (К слову, физические опыты, направленные на поиски кварков могли бы стать темой для интересной лабораторной работы по физике. А оценки за эту работу и ее результаты родители смогли бы увидеть в электроном дневнике Санкт-Петербургского образования , который является новой вариацией всем привычного школьного дневника, только уже доступного родителям через интернет. Но вернемся к кваркам)

Увы! - ни в одном словаре такого слова нет. Откуда же взялось оно? Оказывается, виноват дублинский трактирщик Финнеган, герой романа английского писателя Джойса «Поминки по Финнегану». В этом усложненном, запутанном, нарочито непонятном литературном произведении есть эпизод, в котором Финнегану (или его двойнику, «вытеснившему его из жизни») мерещится, что он Король Марк из средневековой легенды, у которого племянник Тристан похитил жену, прекрасную Изольду. Король Марк гонится за Изольдой на корабле, над ним кружат чайки (которые, впрочем, быть может, вовсе не чайки, а судьи) и злобно кричат «ТРИ КВАРКА МИСТЕРУ МАРКУ». Короля мучают кошмары, над ним издеваются чайки, и все громче их загадочный, страшный клич: «ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА…».

Короче говоря, термин «кварки» в «переводе» на нормальный человеческий язык будет означать «бредовые», «немыслимые», «кошмарные», «дикие», «невообразимые» - можете смело продолжать подбирать синонимы сами.

Придумав новые, совершенно необыкновенные частицы , наделив их умопомрачительными свойствами и построив из них обычные микрочастицы, американский физик М. Гелл-Манн назвал порождение своей научной фантазии «кварками». Но зачем он сделал все это? Зачем понадобилась еще одна непонятная частица? Ведь и без того их больше, чем хотелось бы физикам.

Именно чрезмерное обилие микрочастиц натолкнуло Гелл-Манна на идею кварков. Сперва предполагалось, что вселенная построена из протонов и электронов, частиц неуничтожаемых и вечных. Затем было открыто еще около трех десятков элементарных частиц, причем большинство из них - нестабильны, то есть вскоре после возникновения самопроизвольно распадаются, превращаясь в другие частицы. Сейчас известны элементарные частицы двухсот с лишним видов. Многие из новых обитателей микромира существуют всего лишь триллионные доли секунды.

Увеличение числа частиц, открытие новых их свойств, конечно, радовало ученых. Но вместе с тем все острее вставала проблема классификации обитателей микромира. Очень хотелось свести их пестрое многообразие к какому-то порядку, единству.

После множества неудачных попыток зажглась, как будто, звезда успеха: сначала удалось создать очень абстрактную, сугубо математическую классификацию адронов (увенчавшуюся предсказанием открытия очередной новой частицы). И после этого американский физик выдумал кварки, «кирпичики мироздания», из которых, как сейчас считают, построены и протоны, и нейтроны, и почти все прочие микрочастицы.

Вот уже много лет физики всего мира говорят о кварках. И никак не могут их обнаружить в эксперименте. Разумеется, чтобы эти новые «кирпичи» выполнили свою роль, надо было указать, как построить из них «дома». Этого Гелл-Манн добился. Но дорогой ценой: он вынужден был наделить кварки необыкновенными свойствами. Столь необыкновенными, что для названия предполагаемых частиц этот физик и избрал химеру Джойса - кварки Финнегана.

У Джойса сказано - «Три кварка». У Гелл-Манна их тоже три. Три разных кварка. И еще три античастицы (наделенные противоположными зарядами): три антикварка. Всего шесть. Так следовало из некоторых общих соображений, и в этом еще нет ничего бредового и невероятного.

Чтобы понять, почему понадобилось столь образное имя «кварк», надо вспомнить следующее. У всех элементарных частиц есть несколько свойств, физических характеристик, которые обязательно сохраняются, какие бы чудовищные силы ни действовали на частицы. Никакие превращения не могут принести к тому, чтобы эти величины хоть сколько-нибудь прибавились или убавились. Очевидно, кварки должны обладать всеми этими характеристиками.

Первая из них - электрический заряд. Он обязательно сохраняется при взаимодействиях и превращениях частиц. Причем до недавних пор физики твердо знали: существует наименьшая возможная порция электричества, неразрушимая и неделимая - заряд электрона. Но кварки потому и кварки, что для них возможно невозможное: одному из них приписан заряд -1-2/3, а двум другим - по -1/3!

Должен сохраняться во всевозможных процессах и так называемый барионный заряд (он проявляется лишь на ничтожных расстояниях, сравнимых с размерами атомного ядра). Для известных частиц барионный заряд может иметь значения +1, 0 и - 1. Это, соответственно, мезоны и барионы (а также антибарионы). Кваркам же пришлось приписать барионный заряд +1/3 (антикваркам - 1/3).

Кроме этих двух зарядов, в превращениях элементарных частиц сохраняется спин - величина, характеризующая вращение вокруг собственной оси. Тут у кварков ничего фантастического нет, - как и у многих частиц, спин у них равен 1/2.

Есть еще четвертая величина, в какой-то мере подобная заряду, - странность. Имя это (придуманное, кстати, тем же Гелл-Манком), дано ей за странное свойство: при некоторых видах распада она не сохраняется. Так вот, у двух из трех кварков странность равна нулю и у одного - минус единице. Это тоже не очень удивительно.

Самое же поразительное в кварках - их масса. Масса невообразимо огромная, неслыханная и трудновообразимая для элементарных частиц - они должны быть в 10 раз тяжелее протона!

Для физика такое допущение звучит примерно так же, как для нас с вами утверждение, что где-то в лесу иногда встречаются величиной с ТУ-124. А для нефизиков еще удивительнее то, что из таких сверхтяжелых частиц, по-видимому, построены частицы, вдесятеро более легкие. Из трех самолетов без потерь материала сделан один обыкновенный (не гигантский) майский жук. Как это понимать?

Сегодня широко известен знаменитый эйнштейновский закон эквивалентности массы и энергии Е = mc2. По этому закону всякое тело несет в себе гигантскую энергию, пропорциональную его массе и квадрату скорости света. При различных взаимодействиях энергия тела может изменяться, но тогда обязательно меняется и его масса. Словом, масса имеет энергию, а энергия - массу.

Продолжение следует.

Частицы в составе атомного ядра состоят из еще более фундаментальных частиц — кварков.

На протяжении двух последних веков ученые, интересующиеся строением Вселенной, искали базовые строительные блоки, из которых состоит материя, — самые простые и неделимые составляющие материального мира. Атомная теория объяснила всё многообразие химических веществ, постулировав существование ограниченного набора атомов так называемых химических элементов, объяснив природу всех остальных веществ через различные их сочетания. Таким образом, от сложности и многообразия на внешнем уровне ученым удалось перейти к простоте и упорядоченности на элементарном уровне.

Но простая картина атомного строения вещества вскоре столкнулась с серьезными проблемами. Прежде всего, по мере открытия всё новых и новых химических элементов стали обнаруживаться странные закономерности в их поведении, которые, правда, удалось прояснить благодаря вводу в научный обиход периодической системы Менделеева . Однако представления о строении материи всё равно сильно усложнились.

В начале XX столетия стало ясно, что атомы отнюдь не являются элементарными «кирпичиками» материи, а сами имеют сложную структуру и состоят из еще более элементарных частиц — нейтронов и протонов, образующих атомные ядра, и электронов, которые эти ядра окружают. И снова усложненность на одном уровне, казалось бы, сменила простота на следующем уровне детализации строения вещества. Однако и эта кажущаяся простота продержалась недолго, поскольку ученые стали открывать всё новые и новые элементарные частицы . Труднее всего было разобраться с многочисленными адронами — тяжелыми частицами, родственными нейтрону и протону, которые, как оказалось, во множестве рождаются и тут же распадаются в процессе различных ядерных процессов.

Более того, в поведении различных адронов были обнаружены необъяснимые закономерности — и из них у физиков стало складываться некое подобие периодической таблицы. Использовав математический аппарат так называемой теории групп , физикам удалось объединить адроны в группы по восемь — два типа частиц в центре и шесть в вершинах правильного шестиугольника. При этом частицы из каждой восьмеричной группы, располагающиеся на одном и том же месте в таком графическом представлении, обладают рядом общих свойств, подобно тому как схожие свойства демонстрируют химические элементы из одного столбца таблицы Менделеева, а частицы, расположенные по горизонтальным линиям в каждом шестиугольнике, обладают приблизительно равной массой, но отличаются электрическими зарядами (см. рисунок). Такая классификация получила название восьмеричный путь (в честь одноименной доктрины в буддистской теологии). В начале 1960-х годов теоретики поняли, что такую закономерность можно объяснить лишь тем, что элементарные частицы на самом деле таковыми не являются, а сами состоят из еще более фундаментальных структурных единиц.

Эти структурные единицы назвали кварками (слово позаимствовано из замысловатого романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»). Эти новые обитатели микромира оказались существами весьма странными. Для начала, они обладают дробным электрическим зарядом: 1/3 или 2/3 заряда электрона или протона (см. таблицу). А далее, по мере развития теории, выяснилось, что отдельно их не увидишь, поскольку они вообще не могут пребывать в свободном, не связанном друг с другом внутри элементарных частиц состоянии, и о самом факте их существования можно судить только по свойствам, проявляемым адронами, в состав которых они входят. Чтобы лучше понять этот феномен, получивший название пленение или заточение кварков , представьте, что у вас в руках длинный эластичный шнур, каждый конец которого представляет собой кварк. Если приложить к такой системе достаточно энергии — растянуть и порвать шнур, то он порвется где-то посередине, и свободного конца вы не получите, а получите два резиновых шнура покороче, и у каждого из них опять окажется два конца. То же и с кварками: какими бы энергиями мы ни воздействовали на элементарные частицы, стремясь «выбить» из них кварки, нам этого не удастся — частицы будут распадаться на другие частицы, сливаться, перестраиваться, но свободных кварков мы не получим.

Сегодня, согласно теории, предсказывается существование шести разновидностей кварков, и в лабораториях уже открыты элементарные частицы, содержащие все шесть типов. Самые распространенные кварки — верхний , или протонный (обозначается u — от английского up , или p — proton ) и нижний , или нейтронный (обозначается d — от down , или n — от neutron ), поскольку именно из них состоят единственные по-настоящему долгоживущие адроны — протон (uud ) и нейтрон (udd ). Следующий дублет включает странные кварки s (strange ) и очарованные кварки с (charmed ). Наконец, последний дублет состоит из красивых и истинных кварков — b (от beauty , или bottom ) и t (от truth , или top ). Каждый из шести кварков, помимо электрического заряда, характеризуется изотопическим (условно направленным) спином . Наконец, каждый из кварков может принимать три значения квантового числа, которое называется его цветом (color ) и обладает ароматом (flavor ). Конечно же, кварки не пахнут и не имеют цвета в традиционном понимании, просто такое название сложилось исторически для обозначения их определенных свойств (см. Квантовая хромодинамика).

Стандартная модель останавливается на уровне кварков в детализации строения материи, из которой состоит наша Вселенная; кварки — самое фундаментальное и элементарное в ее структуре. Однако некоторые физики-теоретики полагают, что «луковицу можно лущить и дальше», но это уже чисто умозрительные построения. По моему личному мнению, Стандартная модель правильно описывает строение вещества, и хотя бы в этом направлении наука дошла до логического завершения процесса познания.

Из-за обширной терминологии большинство популярных книг и статей по физике элементарных частиц не углубляются дальше самого факта существования кварков. Сложно что-либо обсуждать, если широкой аудитории не до конца понятны основные термины. Студент МФТИ и сотрудник лаборатории фундаментальных взаимодействий Владислав Лялин взял на себя функцию путеводителя в то, что называется Стандартной моделью, - главенствующую физическую теорию, объясняющую все известные науке частицы и их взаимодействие между собой, то есть устройство Вселенной на самом глубоком уровне.

Строение вещества

Итак, все состоит из молекул, а молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра и облаков электронов вокруг него, которые совершают куда более сложные движения, чем просто вращение. Ядро примерно в 10 тысяч раз меньше размера атома, хотя это и есть почти вся его масса, и состоит из протонов и нейтронов. Как правило, на этом большинство школьных курсов физики заканчиваются, но на этом не заканчивается физика. В 50-х годах прошлого века ученые знали о существовании пяти частиц, которые они называли элементарными. Это были протон, нейтрон, электрон, фотон и электронное нейтрино. Уже через несколько десятков лет (с появлением первых коллайдеров) частиц, которые стоило бы причислить к элементарным, стало несколько десятков, и это число только росло. Термин «элементарная частица» пришлось пересматривать - и заодно придумывать новую теорию, еще сильнее углубляться в строение вещества. Со временем была создана теория, названная Стандартной моделью , описывающая все известные взаимодействия (кроме гравитации).

Еще с древних времен материя и силы (взаимодействия) в физике были отделены. Эта идея присутствует и в Стандартной модели. Все элементарные частицы в ней делятся на «кирпичики материи» - фермионы и переносчики взаимодействия - бозоны. Эти классы частиц сильно отличаются друг от друга, одним из самых ярких отличий является отсутствие принципа запрета Паули у бозонов. Грубо говоря, в одной точке пространства может быть не более одного фермиона, но сколько угодно бозонов.

Бозоны

В Стандартной модели всего шесть элементарных бозонов. Фотон не обладает электрическим зарядом, он передает электромагнитное взаимодействие - то самое, которое связывает атомы в молекулы. Глюон передает сильное взаимодействие и обладает своим видом заряда (об этом еще будет сказано). Именно сильное взаимодействие отвечает за ядерные силы, скрепляющие протоны и нейтроны в ядрах. W+, W- и Z0 означает, что бозоны заряжены соответственно положительно, отрицательно и нейтрально (не заряжены). Они отвечают за так называемое слабое взаимодействие, которое умеет превращать одни частицы в другие. Самый простой пример слабого взаимодействия - распад нейтрона: один из кварков, составляющих нейтрон, излучает W-бозон и превращается в другой кварк, а W-бозон распадается на электрон и нейтрино.

Остается последний бозон - бозон Хиггса. Теоретически он был предсказан еще в 60-х годах прошлого века, но экспериментально его существование было доказано только в 2013 году. Он отвечает за инертную массу элементарных частиц - именно массу, ответственную за эффекты инерции, а не притяжения. Квантовой теории, которая связала бы и инерцию, и гравитацию, пока что нет.

Фермионы

Элементарных фермионов гораздо больше, чем элементарных бозонов. Их делят на два класса: лептоны и кварки. Они отличаются тем, что кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны - нет.

Лептоны

Лептоны бывают трех поколений, в каждом поколении два лептона - один заряженный и один нейтральный. Первое поколение: электрон и электронное нейтрино, второе - мюон и мюонное нейтрино, третье - тау-лептон и тау-нейтрино. Лептоны очень похожи друг на друга, мюоны и тау-лептоны (так же как и электроны) могут образовывать атомы, заменяя на орбиталях электроны. Главное их отличие - в массе: мюон в 207 раз тяжелее электрона, а тау-лептон в 17 раз тяжелее мюона. С нейтрино должна быть похожая история, но их массы настолько малы, что до сих пор не измерены. Эти массы точно ненулевые, доказательство этого факта было отмечено Нобелевской премией в 2015 году. Мюон и тау-лептон нестабильны: время жизни мюона примерно 0,2 миллисекунды (что на самом деле довольно долго), тау-лептон распадается примерно в 17 раз быстрее. Особенности нейтрино состоят в том, что они участвуют только в слабом взаимодействии, из-за этого их очень трудно засечь. Также они могут произвольно менять свой сорт: к примеру, электронное нейтрино может внезапно превратиться в мюонное, или наоборот. В отличие от бозонов, у лептонов существуют античастицы. Таким образом, всего лептонов не 6, а 12.

Кварки

В английском слово funny может иметь значения «забавный» и «странный». Вот кварки как раз и есть funny. Они забавно называются: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный. И они очень странно себя ведут. Существует три поколения кварков, по два кварка в каждом, и точно так же у них у всех существуют античастицы. Кварки участвуют как в электромагнитном и слабом взаимодействиях, так и в сильном. Для заметки: фермионы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами; таким образом, адроны - это частицы, состоящие из кварков. Поэтому Большой адронный коллайдер, собственно, называется адронным: там сталкивают протоны или ядра атомов (адроны), но не электроны. Кварки любят образовываться в частицы из трех и двух кварков, но никогда не появляются по одному. В этом и заключается их странность. Частицы из трех кварков называют барионами, а из двух - мезонами.

Почему они так делают? Это происходит из-за особенностей сильного взаимодействия, которое удерживает кварки в адронах. Сильное взаимодействие очень интересно: вместо одного заряда, как в электромагнитном, у сильного их бывает три. И оказывается, что существуют только нейтральные частицы, а нейтральной частица может быть, только если в ней есть либо три разных заряда одного знака, либо два одинаковых заряда разного знака. Из-за этой особенности (и для удобства) заряды начали называть красным, зеленым и синим, а соответствующие отрицательные заряды - антикрасным, антизеленым и антисиним. Получается, что если взять красный, зеленый и синий, мы получим белый, то есть нейтральный; если взять красный и антикрасный, мы тоже получим белый. Это легко запоминается, но стоит подчеркнуть, что это не имеет никакого отношения к цветам, к которым мы привыкли в жизни. Это просто красивая и удобная аналогия со смешиванием. В Стандартной модели каждый кварк может быть любого из трех цветов, а антикварк - любого из трех «антицветов». Получается, что ни один из кварков не может быть непосредственно зарегистрирован, ведь свободно существовать могут только бесцветные частицы, а кварки «раскрашены». Эта особенность их поведения называется конфайнментом, что с английского дословно переводится как «заточение».

Конфайнмент

Хорошо - допустим, что кварки не могут существовать свободно. Но что если просто взять мезон, состоящий из двух кварков, и разорвать его на две части? Не получим ли мы два кварка? (На самом деле нет.) Представьте, что мезон очень сильно растягивают. В отличие от электромагнитного, сильное взаимодействие тем сильнее до определенного предела, чем взаимодействующие частицы дальше друг от друга. Это похоже на пружину: чем сильнее ее растягивать, тем сильнее она будет сжиматься и тем больше у нее будет энергии. Чтобы сильнее стягивать кварки, сильное взаимодействие создает новые глюоны. И чем дальше мы их растягиваем, тем больше глюонов создается. Но в какой-то момент энергия этих созданных глюонов становится настолько большой, что выгоднее становится создать новую пару кварк-антикварк, чем продолжать плодить глюоны. Много глюонов исчезает, вместо них появляются кварк и антикварк. В момент появления кварк-антикварковой пары из четырех кварков создаются два мезона, каждый из которых бесцветен.

Может показаться, что теория замкнута сама на себе и что кварков на самом деле не существует, а конфайнмент, по сути, костыль, который придумали только для того, чтобы прекратить поиски кварков; что это просто удобная модель, которая не имеет под собой физического обоснования. Долгое время в научных кругах ходила такая мысль. Однако поздние теоретические исследования и недавние экспериментальные показывают, что при определенных условиях кварки могут покидать адроны. Более того, это состояние материи существовало практически сразу после большого взрыва, и только после сильного охлаждения кварки связались в адроны. Такое состояние материи сейчас исследуют на Большом адронном коллайдере в эксперименте ALICE. Для его получения нужна температура в два триллиона градусов. Это состояние материи называется кварк-глюонной плазмой.

Для понимания, что есть кварк-глюонная плазма, стоит провести аналогию. Представьте себе воду в невесомости. Она находится в жидком агрегатном состоянии, и из-за сил поверхностного натяжения она имеет вид шара - можно сказать, что она заточена в этот шар. Начнем повышать температуру. Когда она достигнет 100 градусов, вода начнет кипеть, активно испаряться и со временем полностью станет паром, у которого уже не будет силы поверхностного натяжения. Явление превращения воды в пар называется фазовым переходом. Если продолжить нагревать пар, то примерно при 1 400 градусах молекулы воды разделятся на водород и кислород - сдиссоциируют, - и вода станет смесью кислородной и водородной плазм. Это еще один фазовый переход. Теперь возьмем газ - но не из молекул воды, а из адронов - и начнем его нагревать. Придется нагревать весьма сильно, потому что для фазового перехода нужна температура примерно в два триллиона градусов. При такой температуре адроны как бы «диссоциируют» в свободные кварки и глюоны. Таким образом, адрон совершит фазовый переход в состояние кварк-глюонной плазмы. Это явление называется деконфайнментом, то есть процессом освобождения кварков из адронов.

В поисках теории всего

Последнего экспериментального подтверждения Стандартная модель ждала около 50 лет, но теперь бозон Хиггса найден - что дальше? Можно ли думать, что великие открытия закончились? Конечно, нет. Стандартная модель изначально не претендовала на звание теории всего (ведь она не включает в себя описание гравитации). Более того, в декабре прошлого года ATLAS и CMS в коллаборации опубликовали статьи о возможном обнаружении новой тяжелой частицы, не вписывающейся в Стандартную модель. И физики не грустят, а, наоборот, рады, ведь сам Большой адронный коллайдер строили не для того, чтобы подтверждать уже известное, а чтобы открывать новое. И так же «новая физика» не говорит о том, что Стандартная модель будет вычеркнута и предана анафеме. Мы ученые, и если что-то точно работает (а Стандартная модель это доказала), то оно должно быть частным случаем любой новой теории, иначе новая теория будет противоречить старым экспериментам. Для примера: механика Ньютона является прекрасной моделью для описания движения с низкими (значительно меньше скорости света) скоростями - несмотря на то, что сейчас мы знаем специальную теорию относительности. Точно так же, когда появятся новые модели (или модификации Стандартной), будут существовать условия, при которых будет верно то, что мы знаем сейчас.

Не пропустите следующую лекцию:

В Стандартной модели — основной теории, которая объясняет устройство Вселенной, есть три типа частиц: кварки, лептоны и калибровочные бозоны. Последние — это так называемые частицы-переносчики четырех типов фундаментальных физических взаимодействий (например, фотон отвечает за электромагнитные силы), а остальные составляют привычную, осязаемую материю. Лептоны (тип частиц, к которым относятся электроны или нейтрино) обладают сравнительно малыми массами и могут существовать в свободной форме, а кварки навсегда связаны друг с другом цепями сильного взаимодействия.

Сейчас считается, что они могут существовать только парами — тогда кварки формируют частицы, называемые мезонами, или тройками — такие частицы называются барионами (например, протон и нейтрон — это как раз адроны, каждый из них составлен из трех кварков). Но после того, как на коллайдерах были открыты частицы, составленные из четырех и пяти кварков, классические представления Стандартной модели уже кажутся неполными.

— Как и когда были открыты сами кварки?

— В середине 60-х годов прошлого века знали уже много элементарных частиц, но совершенно не понимали, как они устроены. Были протоны, были нейтроны, на ускорителях и в космических лучах нашли пи-мезоны, K-мезоны, и вот в 1964 году американский физик Мари Гелл-Ман предложил простую теорию, в которой все эти элементарные частицы можно было составить всего из трех разных кварков. Постепенно их число увеличили до шести, внутри тех же протонов, действительно, нашли «неоднородности», которые отождествили с кварками, но их самих в свободном состоянии никто до сих пор не видел. Это называется конфайнментом: выбить одиночный кварк из мезона или адрона, по современным представлениям, просто невозможно.

— Почему кварки невозможно разделить?

— Кварки сцеплены между собой сильным взаимодействием, и, когда мы пытаемся их растащить, они начинают притягиваться друг к другу все больше. Такое сложно представить, но это свойство природы. Когда мы разводим два электрических заряда, они взаимодействуют все слабее, когда ракета выходит в космос, она все меньше притягивается к Земле — это свойства гравитационного и электромагнитного взаимодействий, а вот с сильным все наоборот. Чтобы развести кварки, нам нужно вложить в систему столько энергии, что ее уже хватит на появление новых кварков, которые мгновенно опять соберутся в пары и тройки с первоначальными кварками. Поэтому в физике элементарных частиц введена особая величина, называемая цветовым зарядом. Сами кварки могут быть красными, синими, зелеными или антикрасными, антисиними и антизелеными, а в природе они могут наблюдаться только в составе бесцветных комбинаций: парами, тройками или даже четверками, как в случае нашей новой частицы. Например, протон состоит из двух верхних кварков — одного синего и одного красного - и одного нижнего кварка зеленого цвета. В результате из трех цветов получается бесцветная комбинация.

— Получается, кварки могут в буквальном смысле появляться из ниоткуда? Просто рождаться из сгустков энергии?

— Да. Каждая элементарная частица — это в некотором смысле просто масса или, что то же самое, энергия. При этом многие из них по меркам макроскопического мира живут очень мало, исчезающие доли секунды. После этого они распадаются, и из этой же самой энергии образуются другие частицы. Например, пи-мезон распадается на мюон и нейтрино, нейтрон в свободном состоянии — на протон, электрон и нейтрино, а бозон Хиггса умеет распадаться даже разными способами: он может развалиться на пару прелестных кварков, на пару фотонов, на пару Z-бозонов и т.д. Так что элементарные частицы постоянно распадаются, превращаясь в небольшое количество стабильных, долгоживущих частиц, таких как электрон, фотон, нейтрино и протон.

Ускоритель «Тэватрон», на котором была открыта новая частица. Фото: Reidar Hahn/Fermilab

— Как открыли новый тетракварк?

— Это произошло на коллайдере «Тэватрон», который расположен в США неподалеку от Чикаго. Правда, сам ускоритель закончил работу еще в 2011 году, но экспериментальные данные с него до сих пор до конца не обработаны, и именно в них увидели следы рождения тетракварка. В экспериментах на «Тэватроне» протоны и антипротоны разгоняли до колоссальных скоростей, сталкивали их и смотрели, что будет происходить. После столкновения всегда рождаются сотни частиц, которые разлетаются во все стороны и затем начинают распадаться. В результате на расположенные в разных точках ускорителя детекторы приходят потоки частиц с разными энергиями, и именно в этих данных ученые ищут историю развития событий. Например, можно накладывать различные кинетические ограничения: «отсматривать» частицы, летящие только в определенном направлении или с определенной массой. Здесь очень важно понимать, что ты ищешь, потому что просто перебрать все варианты невозможно. Поэтому мы, экспериментаторы, цепляемся за какие-то наводки теоретиков или других экспериментаторов и ищем, уже исходя из них. В случае тетракварка мы увидели в конечном спектре масс частиц характерный пик, соответствующий распаду одной изначальной частицы на пять заряженных частиц с общей энергией примерно в 5,5 ГэВ. Это и есть наш тетракварк, который в несколько этапов распадается на пять заряженных частиц: два мюона, два K-мезона и один пи-мезон.

— Насколько вы уверены, что это действительно тетракварк, а не шумы?

— Сначала мы тоже сомневались в результатах и думали, что это не сигнал, а фон, но после полугода исследований мы уверены в результате настолько, что решили его опубликовать. Например, мы знаем, что на первом этапе наша частица превратилась в пи-мезон и B-мезон. При этом распад шел так быстро, что за него может отвечать только сильное взаимодействие, а оно не меняет типы кварков. Поэтому мы уверены, что первоначальная частица состояла из точно тех же четырех кварков, что и два образовавшихся из нее мезона. Мы проанализировали около 10 миллиардов событий и нашли 130 случаев, когда образовался тетракварк. Вероятность того, что фоновые события сымитируют увиденный нами пик составляет всего один шанс из шести миллионов. Такая малая вероятность считается в научной среде достаточной, чтобы сделать «заявку» на открытие новой частицы.

— А может так оказаться, что это не тетракварк, а, например, своеобразный атом из двух близкорасположенных мезонов?

— Здесь нам немного помогают теоретики. Они могут посчитать энергию связи в таком атоме, и, оказывается, она относительно маленькая — на уровне 5—10 МэВ. То есть такой гипотетический объект легко разорвать на два мезона, а в нашем случае энергия связи составляет около 100 МэВ — это жесткий, сильно связанный объект. Таких устойчивых молекул скорее всего не бывает. Так что, скорее всего, это именно четыре кварка, плотно связанных между собой в одну частицу.

— На других ускорителях уже тоже открывали тетракварки и пентакварки. Новая частица похожа на них?

— Да, на Большом адронном коллайдере (БАК) , на ускорителе KEKB в Японии — тетракварк Z(4430), в других экспериментах тоже находили похожие частицы. Кстати, изначально мы тоже охотились за тем самым пентакварком, который нашли на БАК, но нам не хватило статистики, и мы стали искать частицы с немного другими энергиями — применили экспериментальную интуицию. Z(4430) же немного легче нашего и состоит из других кварков: очарованного кварка, очарованного антикварка, верхнего и нижнего. Это все кварки первого и второго поколения, то есть сравнительно легкие и распространенные. А в нашей частице вместо очарованных кварка и антикварка есть странный кварк из второго поколения и тяжелый прелестный кварк из третьего.

— Такой состав стал неожиданностью?

Знаете, сейчас вообще не существует хорошей модели, которая бы объясняла, как образуются или распадаются частицы из более чем трех кварков. Поэтому каждое новое открытие становится сюрпризом и несет очень много полезной информации.

Экспериментаторы ищут как можно больше новых частиц с новым строением, а теоретики думают над моделью, которая может объяснить такую многокварковую конфигурацию. Теперь мы показали, что единичную частицу могут образовывать кварки сразу трех поколений и четырех разных типов — такого раньше не было.

— Раньше думали, что возможны только двухкварковые и трехкварковые частицы. Теперь открыли тетракварки и пентакварки. Что дальше: ждать ли частиц из шести или, скажем, 10 кварков?

— Теоретически никаких запретов на частицы более чем из трех кварков нет. Но интуиция подсказывает, что если и есть частица, скажем, из шести кварков, то ее масса настолько большая, а время жизни настолько маленькое, что зарегистрировать ее практически невозможно. Это как с химическими элементами в таблице Менделеева. Можно все больше и больше набирать протонов и нейтронов, но в какой-то момент их суммарная масса станет настолько большой, что ядро станет неустойчивым. Такие элементы очень быстро распадаются. Конечно, новые ядра постоянно , но это становится все сложнее. Подозреваю, что нечто подобное может произойти и с кварками, но только их критическое количество гораздо меньше.

— Почему сейчас стали открывать так много новых частиц?

— Сильно увеличилось количество экспериментов на ускорителях и их возможности. Поэтому за последние 10—12 лет открыли уже несколько десятков новых частиц, и я не исключаю, что дальше будет еще больше. Работает БАК, скоро переоткрывается KEKB в Японии — теперь интенсивность потоков позитронов и электронов, которые там сталкивают, станет выше в 40 раз. Кстати, в 60-е годы прошлого века, по моим оценкам, было найдено несколько десятков частиц, которые до появления кварковой модели безуспешно пытались классифицировать. Так что количественные измерения физиков-экспериментаторов в какой-то момент должны перерасти в качественное понимание, новую теорию. Когда мы только послали нашу статью в журнал и выложили ее препринт, за несколько следующих суток появилось сразу шесть теоретических работ по нашим результатам. Но когда создадут единую модель для новых многокварковых частиц, пока непонятно. Это может занять и несколько лет, и несколько десятков лет.

— Новая теория сможет вписаться в Стандартную модель?

— Скорее всего, это будет расширение Стандартной модели, какая-то новая классификация частиц в ее рамках. Все-таки мы говорим, что тетракварки и пентакварки состоят из тех же самых кварков и скрепляются тем же самым сильным взаимодействием — надо только понять, как это происходит. Правда, может быть, я несколько утрирую: мы же с вами в конечном счете тоже состоим из протонов, нейтронов и электронов, но вряд ли когда-нибудь сможем до конца понять, как из элементарных частиц складывается человек. Так и с новой классификацией: возможно, здесь нужно принципиально новое понимание сил, действующих между кварками.

— А может так оказаться, что сами кварки состоят из других, еще более мелких частиц?

— Это проверяется на каждом новом ускорителе: первым делом физики пытаются «разбить» кварк и заглянуть к нему внутрь. Но пока ничего такого не видно. Кварк остается абсолютно точечной частицей во всех экспериментах. Но лично я уверен, что наверняка есть что-то более глубокое и фундаментальное.

— Каких экспериментальных открытий в области физики элементарных частиц вы ждете больше всего?

— Мне бы очень хотелось увидеть частицу, которая отвечает за темную материю. Это очень интересная загадка, в которой соприкасается астрофизика и физика элементарных частиц. Наблюдения косвенно указывают, что мы можем найти такую частицу на ускорителях или в космических лучах. Кстати, я сейчас в CERN оцениваю проекты будущих экспериментов на БАК и вижу, что все самые современные результаты физики элементарных частиц отлично согласуются со Стандартной моделью. Так что принципиально новую физику нужно искать именно в темной материи — сложно пока представить, чтобы ее можно было описать в рамках Стандартной модели.

Кварки
Quarks

Кварки - бесструктурные точечные частицы со спином 1/2ћ, участвующие в сильном взаимодействии (как и во всех остальных) и являющиеся элементарными составляющими всех адронов.
Существует шесть типов кварков, обозначаемых буквами u, d, s, c, b, t (от английских слов up, down, strange, charmed, bottom, top). Говорят о шести “ароматах” кварков. Каждый кварк имеет барионное число В = + 1/3 и дробный электрический заряд. Кварки u, c, t имеют заряд +2/3, а кварки d, s, b, - заряд –1/3 (в единицах элементарного заряда е = 1.6 . 10 -19 Кл). Кварки имеют массы. Самый лёгкий кварк u (его масса несколько МэВ/с 2), самый тяжёлый – t (его масса 174 ГэВ/с 2).

Характеристики кварков
Характеристика	Тип кварка
Электрический заряд Q
Барионное число B
Четность P
Изоспин I
Проекция изоспина I 3
Странность S
Масса в составе адрона, ГэВ
Масса свободного кварка, ГэВ			0.095+ 0.025	1.25+ 0.1

Из кварков состоят все адроны: барионы и мезоны – обширный класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии и имеющих внутреннюю структуру и размеры около 10 -13 см. Сами кварки на современном уровне знаний бесструктурны (как и лептоны), т.е. ведут себя как точечные частицы. Их размер не более 10 -17 см. Кварки не наблюдают в свободном состоянии. Они “заперты” в адронах. Их присутствие в адронах надёжно установлено многочисленными экспериментами. В соответствии с современными концепциями кварки невозможно выбить из адрона.
Каждый из шести кварков обладает присущим только ему специфическим квантовым числом (ароматом). Так s-кварк имеет квантовое число “странность”, равное –1, с-кварк – квантовое число “очарование”, равное + 1 и т.д. У каждого кварка есть античастица – антикварк. Антикварки имеют противоположные знаки электрического заряда, барионного квантового числа и ароматов. Так античастица с-кварка, обозначаемая , имеет заряд –2/3, барионное число В = –1/3 и квантовое число “очарование” –1.
Все адроны состоят из кварков: барионы – из трёх кварков, мезоны – из кварка и антикварка. Так, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (p = uud), нейтрон – из двух d-кварков и одного u-кварка (n = udd).

Протон и нейтрон – барионы. Кварковая структура пи-мезонов π + и π - следующая: π + = u, π - = d (черта сверху обозначает античастицу).

Помимо всех перечисленных характеристик кварки обладают ещё одной специфической внутренней характеристикой, называемой цветовым зарядом или просто “цветом”. Сильные взаимодействия между кварками обусловлены наличием у кварков этих цветовых зарядов. Цвет кварка может принимать одно из трёх значений и их условились обозначать теми же терминами, что и оптические цвета, например, красный, зелёный и синий, хотя смысл этих названий другой. Таким образом, кварк каждого аромата может быть красным, зелёным или синим. Кварк одного цвета может перейти в кварк другого цвета, испустив цветной глюон – частицу, являющуюся переносчиком сильного взаимодействия. Сильное взаимодействие между кварками – это обмен ими цветом посредством обмена глюонами. Кварки в адронах находятся в таких цветовых состояниях, что суммарный цветовой заряд адрона равен нулю. Говорят, что адроны бесцветные или белые.
Квантовое число цвет обеспечивает необходимую антисимметрию волновой функции адронов, состоящих из одинаковых кварков, что согласуется с принципом Паули. С учётом квантового числа цвет, принимающего три значения, структуры барионов и мезонов записываются в виде