Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения - Барри Паркер

Вскоре было обнаружено, что цвет важнее аромата. Фундаментальным триплетом является не аромат, а цвет (позже мы увидим, что аромат нельзя считать триплетом). Благодаря этому результату удалось сделать существенный шаг вперёд – создать локальную калибровочную теорию, а во всякой такой теории, как известно, должна быть частица-переносчик. Эту новую частицу назвали глюоном (от английского слова «glue» – «клей», эти частицы как бы склеивают нуклоны и не дают им распасться). Глюоны также окрашены, имеют равный единице спин и, подобно фотонам, лишены массы; правда, в отличие от единственного фотона, они подразделяются на восемь различных типов. Другим отличием является то, что благодаря цвету глюоны взаимодействуют между собой, а не имеющие заряда фотоны не взаимодействуют друг с другом.

Подобно тому как мы изображали электрон окружённым виртуальным облаком, кварки можно представлять себе окутанными облаками виртуальных глюонов. Однако при этом есть отличие – предполагается, что кварки заключены в «мешки». Протон, например, можно рассматривать как мешок, содержащий два u- и один d-кварк. Каждый из кварков в мешке окружён своим собственным облаком. Протон-протонное взаимодействие можно представить как сближение двух мешков с кварками, которые на достаточно малом расстоянии начинают обмениваться глюонами.

Здесь читатель вправе указать на возникающее затруднение: раньше мы говорили, что сильное взаимодействие вызывается обменом мезонами, при чём же тут глюоны? Сейчас принято считать, что частицами-переносчиками служат глюоны, хотя выглядит всё так, как если бы взаимодействовали мезоны. На ум приходит аналогия с взаимодействием молекул – принято говорить о ковалентных силах, действующих между атомами, хотя на самом деле это электромагнитные силы. Одной из проблем теории является запирание («конфайнмент») кварков и глюонов. Почему, несмотря на многочисленные попытки, так и не удалось ни разу наблюдать свободный кварк или глюон? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вернуться к введённой ранее модели кваркового мешка. Предположим, что мы пытаемся вытащить из мешка один из кварков. При этом, согласно теории, образуется цепочка глюонов, так называемая струна, с мезоном на конце. Чем сильнее тянуть кварк, тем сильнее он будет сопротивляться вытаскиванию из мешка. При электромагнитном взаимодействии всё обстоит наоборот – чем меньше расстояние между заряженными частицами, тем больше действующая на них сила, ослабевающая по мере разъединения частиц. В случае глюонов, по мере увеличения длины струны сила возрастает. (Именно такое явление наблюдалось в упоминавшихся ранее экспериментах на Станфордском ускорителе – учёные обнаружили, что точечный заряд как будто заперт внутри протона, и чем сильнее сдвигали заряд, тем больше была сила связи.)

А что будет, если струну всё-таки удастся разорвать? Согласно теории, в месте разрыва появятся кварк и антикварк, т.е. оторванный кусочек струны будет состоять из кварка и антикварка (соединённых глюонами), которые, как известно, в сумме дают мезон. Другими словами, при попытке вытащить из протона кварк получается мезон, который, естественно, и наблюдается на опыте. При бомбардировке протонов достаточно энергетичными частицами образуются мезоны.

Хотя теория цветов позволила добиться значительных успехов, не всё в ней нравилось Шелдону Глэшоу. В то время было известно четыре лептона, но лишь три кварка, и Глэшоу решил, что между двумя видами частиц должна существовать симметрия.

Пути в науку Глэшоу и Вайнберга во многом похожи. Оба они учились в одном классе в школе Бронкса, оба закончили Корнеллский университет, оба через несколько лет оказались в Гарварде. Несмотря на такое сходство биографий, люди они совсем разные – Глэшоу открыт и общителен, Вайнберг сдержан и замкнут.

Глэшоу считал, что должен быть четвёртый кварк со свойством, аналогичным странности. Он назвал новую характеристику очарованием, а соответствующий кварк – очарованным. Первые свидетельства существования нового кварка последовали почти одновременно из двух разных лабораторий. Первыми его обнаружила группа учёных из Брукхейвена под руководством Сэмьюэла Тинга. Но Тинг работал очень тщательно и потратил много времени на проверку полученного результата. Тем временем ту же частицу открыли на другом побережье, в Станфорде, учёные под руководством Бертона Рихтера. Обе группы обнаружили не сам очарованный кварк, а частицу, состоящую из очарованного кварка и его античастицы. Группа Тинга назвала её J, а группа Рихтера – ? (пси); сейчас её именуют ?/J-частицей.

Итак, четвёртый кварк был обнаружен, но вскоре оказалось, что найден ещё один лептон, и для сохранения симметрии теперь требуется пятый кварк. Физики назвали его b-кварком, и вскоре удалось найти частицу, являющуюся комбинацией b-кварка и его антикварка. Эту частицу назвали ? (ипсилон). Так как без сомнений ей соответствует нейтрино, видимо, должен быть ещё один кварк, который назвали t (он был обнаружен в 1984 году). Итак, вот что мы имеем:

Лептоны (e ?e), (? ??), (? ??).

Кварки(u d),(s c), (b t).

Сколько их ещё, пока неизвестно, но, похоже, это почти всё. Из некоторых космологических данных следует, что предельное число для каждой группы – восемь.

Мы видим, что квантовую электродинамику удалось объединить с теорией слабого взаимодействия, создав теорию электрослабого взаимодействия. Следующим шагом, естественно, является включение квантовой хромодинамики, а затем и тяготения, которое пока стоит особняком. О таком полном объединении речь пойдёт в следующей главе. А пока зададимся другим вопросом: окончательна ли приведённая выше схема строения вещества из лептонов и кварков? Этот вопрос может показаться диким, ведь считается, что ни те, ни другие не имеют размеров, а кварк даже невозможно изолировать для детального исследования. Применительно к электрону удалось установить, что если он и имеет внутреннюю структуру, то размеры его составляющих меньше 10-16 см. До сих пор ни в одном эксперименте не удалось обнаружить структурные образования большего размера. Похоже также, что кварки нельзя изолировать, даже при невероятно больших энергиях, но отсюда не следует, что этого не удастся сделать никогда.

Если теория кварков и лептонов действительно так хороша (а из неё следуют буквально все наблюдаемые явления), то зачем искать какие-то ещё более глубинные структуры? Прежде всего потому, что частиц всё-таки довольно много. В первоначальной теории было только три кварка; теперь, с учётом цвета, их уже 18 плюс шесть лептонов, а возможно, и ещё больше. С таким количеством уже трудно справляться. Кроме того, при более внимательном анализе теории всплывает ряд нерешённых вопросов. Очевидно, в ней присутствуют необъяснённые симметрии. Например, все частицы как будто объединены в триплеты: три лептона с зарядом -1, три – с нулевым зарядом, три кварка с зарядом -1/3, три – с зарядом +2/3. Почему так? Возможно, ещё более существенны так называемые поколения частиц:

для лептонов (?e /e), ( ? / ? ), (?? / ? ).

для кварков ( u / d ), ( c / s ), ( t / b).

Все три поколения, если не принимать во внимание массу, идентичны. Другими словами ?-мезон ведёт себя точно так же, как вёл бы себя тяжёлый электрон, таково же поведение ещё более тяжёлой ?-частицы. Очарованный c-кварк похож на потяжелевший u-кварк. Какова взаимосвязь различных поколений? Не являются ли некоторые частицы возбуждёнными состояниями других? Можно задать и ещё более сложный вопрос: почему частицы имеют именно такую массу? Пока нет объяснения различию в массах частиц, а ведь отношение их масс весьма велико.

Остаются необъяснёнными значения зарядов. Все окрашенные частицы имеют заряд, кратный 1/3 заряда электрона, а частицы, не имеющие цвета, – кратный единице. Почему в природе реализована именно такая возможность? Ответа теория не даёт. Остаётся невыясненной связь электрического заряда с цветом. Наконец, есть ли вообще связь между кварками и лептонами? Не принадлежат ли они к одному семейству?

Более фундаментальная теория не должна отменять нынешнюю; она может при определённых условиях выходить за рамки прежних теорий, так же как теория относительности не укладывается в пределы ньютоновой теории или квантовая механика выходит за пределы классической теории при движении в глубь атома. Поскольку нынешняя теория хорошо работает на расстояниях до 10-16 см, естественно ожидать, что более глубокая структура должна проявляться в меньших масштабах, иначе её можно было бы наблюдать и сейчас.