На что делятся кварки
Просто о сложном: бозоны, фермионы, кварки и другие элементарные составляющие Вселенной
Теории и практики
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
Владислав Лялин
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 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
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 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 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.
Кварки
Тема: Наука
Слово «кварк» появилось в романе Джеймса Джойса «Поминки по Финнагану», где звучит фраза «Три кварка для мистера Марка». Что именно означало это слово, для многих осталось неясным, но оно понравилось физикам, и, когда в 60-е годы ученые занимались построением теории элементарных частиц, слово пригодилось.
Нужно уточнить, что под элементарными частицами в то время понимали в основном то, что мы сейчас называем «барионы» или «мезоны»; типичные их представители — это протон и нейтрон, которые образуют атомное ядро.
Использовать термин «кварк» предложил американский физик, лауреат Нобелевской премии Мюррей Гелл-Манн в связи с выдвинутой им моделью построения барионов и мезонов из кварков. Другой автор этой гипотезы, Дж. Цвейг, предложил называть их тузами, но слово не привилось.
1.Русская матрешка
Природа, как мы сейчас понимаем, построена по принципу русской матрешки, в которой есть несколько слоев. Мы открываем каждый раз новый слой, и там появляется что-то новое.
Так и в природе: есть атом, в нем атомное ядро, которое в свою очередь состоит из протонов и нейтронов. Когда-то ученые думали, что эти протоны и нейтроны и есть элементарные частицы. Потом оказалось, что таких частиц гораздо больше.
Сначала в космических лучах, потом на ускорителях стали открывать все новые и новые частицы, их образовалось несколько десятков, и возникло желание как-то их классифицировать, создать систему наподобие таблицы Менделеева, где все эти частицы занимали свои места.
2.Восьмеричный путь
Оказалось, что можно этого добиться, если предположить, что протоны, нейтроны, к-мезоны, ро-мезоны и другие элементарные частицы, которые открыли физики, состоят из еще более мелких составляющих, которые и предложили назвать кварками.
Для того чтобы составить все известные на то время частицы, достаточно было всего трех таких вот «кирпичиков». Эти составляющие получили названия «верхний», «нижний» и «странный» — u, d и s (от английских слов up, down и strange).
За этими кубиками стояла определённая математическая конструкция — «теория групп», которая говорила о том, что все частицы должны образовывать некие «семейства». Эти семейства могли состоять из трех, восьми, девяти или десяти частиц.
Оказалось, что все элементарные частицы, которые к тому времени были открыты, очень хорошо укладывались в эти самые «семейства». При этом в них ещё оставались незанятые места, которым должны были соответствовать новые частицы. Эти частицы были впоследствии открыты. Такой путь построения частиц получил название «восьмеричный путь».
3.Очарованная физика
Однако в 1974 году была открыта новая частица, которая не укладывалась в эту схему. Оказалось, что для того, чтобы ее объяснить, пришлось придумать еще одну частицу, еще один кварк, четвертый.
Более того, когда физики пытались построить теорию, которая объясняет не просто наличие частиц, а описывает их свойства, взаимодействие, взаимные превращения, три кварка оказались неудачной комбинацией, поскольку некоторые распады частиц, которые в природе почему-то не обнаружены, в этой теории, наоборот, происходят. И тогда поняли, что вот если бы было четыре кварка, то тогда эти распады были бы подавлены, и всё пришло бы в соответствие с наблюдениями.
Четвертый кварк получил название «очарованный кварк», или по-английски charmed, с-кварк. Он породил целую «физику очарования». Через некоторое время открыли пятый кварк, который получил название b-кварк, по-английски от слова bottom, или от английского слова beauty, то есть «прелестный» или «прекрасный».
Кварков стало пять, и опять возникла та самая проблема с подавлением нежелательных распадов. Тогда стали искать шестой кварк. И в конце прошлого века он был найден, его назвали t, или top, или truth, и в результате появилась система из шести кварков.
4.Поколения кварков
Но когда кварков стало шесть, стали думать уже не просто о том, что все частицы строятся из них, а о собственной классификации самих кварков. Оказалось, что кварки обладают специфическим свойством: они группируются в пары и обладают абсолютно идентичными свойствами внутри них.
Первая пара — это u- и d-кварки, которые были с самого начала, вторая пара — это c- и s-, и третья пара — это top и bottom. Единственное, что их отличает: каждая следующая пара тяжелей предыдущей.
И тогда возникла идея, что частицы образуют так называемые «поколения». Существуют три поколения: первые пара кварков — это первое поколение, вторая пара — второе поколение, третья пара — это третье поколение, и они абсолютно идентичны, только одно поколение старше другого.
На языке физики «старше» означает в данном случае «тяжелее». То есть существуют три поколения, и возникает вопрос: почему, собственно, нужно три поколения? На этот вопрос есть ответ, но связан он уже со свойствами Вселенной, точнее с барионной асимметрией Вселенной — неравенством числа барионов и антибарионов.
5.Свойства кварков
У протона есть электрический заряд. В единицах заряда электрона этот заряд равен +1. У нейтрона заряда нет. У кварков, если они образуют протоны и нейтроны, должен быть такой электрический заряд, чтобы в сумме получился нужный заряд протона и нейтрона. Поскольку протон состоит из трех кварков, то весьма естественно предположить, что электрический заряд кварка кратен одной трети.
Вот так мы и выбираем: электрический заряд u-кварка — две трети, d-кварка — минус одна треть. Значит, как протон строится из кварков — uud: две трети плюс две трети минус одна треть получается +1. А как нейтрон строится — udd: две трети минус одна треть минус одна треть получается ноль.
Все барионы — сильновзаимодействующие частицы, имеющие полуцелый спин, то есть спин одна вторая, три вторых и так далее, — состоят из трех кварков. Каждый кварк имеет спин одна вторая. И из трех этих половинок набирается полуцелый спин бариона.
Мы всегда строим комбинации из трех кварков. А мезоны имеют спин ноль, поэтому они строятся из двух кварков: со спином либо плюс половинка, либо минус половинка. Вот так, например, известный π-мезон — переносчик ядерных сил — имеет спин ноль, а заряд у него бывает либо плюс один, либо минус один, либо ноль. Он состоит из двух кварков, точнее из кварка и антикварка.
У всех частиц есть античастицы, так же и у кварков есть античастицы. Античастицы имеют противоположный электрический заряд. Вот если мы возьмем, скажем, u-кварк и анти-d-кварк: u-кварк — это заряд две трети, у d-кварка — минус одна треть; соответственно, у анти-d — плюс одна треть; значит, две трети плюс одна треть, получается единица. Вот получается π-мезон. И так все остальное.
Вот таким образом из кварков с дробными зарядами строятся все наблюдаемые элементарные частицы, как барионы, так и мезоны.
Ещё дальше в микромир: кварки
Когда ядро кувалдой разбиваешь,
Добыть пытаясь в нём какой-нибудь нейтрон —
Оттуда вдруг со страшным скрипом выползает
Частица анти-сигма-минус-гиперон.
Из физфаковской песни
Эта статья для тех, кто читал про элементарные частицы и ядерные реакции в «Квантиках» № 8 и № 9 за 2019 г. Раз вы уже так много узнали, нужно признаться вам ещё кое в чём. До сих пор у нас так получалось, что всё на свете состоит из протонов, нейтронов (объединённых в атомные ядра) и электронов. И это правда — почти. Всё вещество, с которым мы привыкли иметь дело, всё, что мы видим вокруг, действительно именно из них и состоит. Но всё же это не единственные на свете виды элементарных частиц. Если хорошенько поискать, найдутся и другие. И этих видов очень много! Если очень сильно стукнуть по ядру «кувалдой», оттуда элементарные частицы так и посыпятся. Всякие-разные мезоны, гипероны, совсем недолго живущие резонансы. Откуда они все берутся в ядре, если их там не было? И как стукнуть по ядру кувалдой? Точнее, что взять вместо кувалды, чтобы по такому маленькому ядру попасть?
Такие установки, в которых разгоняются заряженные частицы (можно и электроны разгонять, не обязательно протоны), называются ускорителями. А установки, в которых разогнанные частицы сталкиваются друг с другом, называются ускорителями на встречных пучках, или коллайдерами: to collide по-английски — ‘сталкиваться’.
Ну хорошо, стукнем мы очень сильно протоном по антипротону (или по протону или нейтрону в ядре) — что же при этом произойдёт? А вот что: во все стороны полетит куча протонов, антипротонов и новых, незнакомых нам пока частиц. Откуда они все там взялись? Ответ такой: родились.
Мы привыкли к закону сохранения массы: материя просто исчезнуть не может. Если игрушка пропала — значит, она или её обломки лежат где-нибудь под шкафом. Даже если вода из стакана исчезла, мы понимаем, что она испарилась, и масса водяных паров в воздухе увеличилась на столько же, на сколько уменьшилась масса воды. Закон сохранения массы прекрасно работает в окружающей нас природе, но не годится, когда скорости близки к скорости света.
Чтобы породить при столкновении новую пару протон-антипротон, надо разогнать уже имеющиеся частицы «батарейкой» напряжением в миллиард (!) вольт. Пару электрон-позитрон породить гораздо легче, ведь они в 2000 раз легче протона — поэтому хватит «батарейки» в полмиллиона вольт. Самый мощный из существующих Большой адронный коллайдер на границе Швейцарии и Франции имеет «разгонную батарейку» напряжением в 7 тысяч миллиардов вольт! Так что при столкновении рождаются не одна-две, а сотни и тысячи частиц.
Некоторые из них легче протонов, другие — во много раз тяжелее. Одни заряжены, другие нет. Их открыто уже больше 300. Но все частицы, из которых состоит материя, кроме уже известных нам протонов, электронов и их античастиц, да ещё нескольких совсем-совсем легких, — нестабильны, то есть распадаются (превращаются во что-то другое) через короткое время. Для нейтрона это время, как вы, может быть, помните из прошлой статьи, около 15 минут. Для всех остальных частиц — намного меньше, это крошечные доли секунды.
Но как же теперь быть? Только мы решили, что всё на свете состоит всего из трёх сортов элементарных «кирпичиков» — а их, оказывается, снова целый зоопарк. Как в них разбираться?
А что же остальные, адроны, которых несколько сотен? Вот они все состоят из. кварков.
Кварков тоже всего 12, как и лептонов, и тоже половина из них — антикварки. Остаётся 6. И они тоже подразделяются, как и лептоны, на три пары, которые по свойствам похожи друг на друга, а отличаются массой. В каждой паре один из кварков имеет заряд плюс 2/3 заряда электрона (!), а другой — минус 1/3. У антикварков, как всегда, всё ровно наоборот.
Таблица 2. Кварки: их обозначения, английские и русские названия и заряды
Цветная линия показывает порядок возрастания массы. Обратите внимание, что заряды более тяжёлого и более лёгкого кварков в первом столбце «перепутаны» по сравнению с остальными столбцами.
Вот новости! До сих пор у нас дробных зарядов не было. И не будет! Кварки могут комбинироваться только в такие сочетания, в которых их суммарный заряд (в единицах заряда электрона) целый. И только в таких сочетаниях их можно наблюдать в природе. Эти сочетания и есть элементарные частицы; хоть они и состоят из кварков, но отдельный кварк из них выделить нельзя, невозможно разделить элементарную частицу на кусочки. Поэтому они всё-таки элементарные, несмотря на их внутреннюю структуру.
Удивительное свойство «пленения» кварков внутри частицы называется конфайнментом. Во всех уже изученных нами взаимодействиях чем дальше частицы оказываются друг от друга, тем слабее сила, притягивающая их друг к другу (или отталкивающая). А у кварков наоборот — чем дальше они отодвигаются друг от друга, тем сильнее притягиваются! И наоборот: чем ближе они друг к другу прижимаются, тем слабее взаимодействуют. Как и почему такое получается, пока не очень понятно.
Задача 1
Задача 2
Второй нестранный адрон — это нейтрон. Из каких кварков состоит он? Бывает ли антинейтрон?
Нейтрон: \(uud\). Антинейтрон — не то же самое, что нейтрон: \(\bar\bar
Задача 3
Гиперонами называют странные, но не очарованные (и тем более не прелестные) барионы. Сигма-гипероны — лёгкие. Индекс плюс или минус (или ноль) в обозначении и названии адрона соответствует знаку заряда. Что же такое анти-сигма-минус-гиперон? Отличается ли он от сигма-плюс-гиперона?
Сигма-минус-гиперон, Σ − : \(dds\), анти-сигма-минус-гиперон: \(\bar\). Другой гиперон с зарядом +1 — сигма-плюс-гиперон, Σ + : \(uus\).
Бывают ещё тетра— и пентакварки, состоящие из четырёх и пяти кварков. Но это уже совсем экзотика.
Кварки участвуют в сильном взаимодействии — собственно, их конфайнмент это как раз проявление сильного взаимодействия. И уж там, внутри адрона, это взаимодействие действительно сильное — его энергия во много раз больше энергии, заключённой в самих кварках. Из-за этого масса любого адрона много больше массы составляющих его кварков. Сильное взаимодействие, которое удерживает протоны и нейтроны в ядре, — это всего лишь жалкие «хвостики» тех сил, которые бушуют внутри них самих. И в слабом взаимодействии кварки тоже участвуют — иначе как бы могли в нём участвовать сделанные из них адроны? Легко догадаться, что уже знакомый нам по прошлой статье распад нейтрона — это превращение d-кварка в u-кварк: \(d\) → \(u\) + \(e\) − + \(\bar<ν>\)\(e\).
Теория кварков прекрасно объясняет многочисленные виды новых частиц, рождающихся в столкновениях при очень высоких энергиях. К сожалению, для понимания того, что творится в атомных ядрах при обычных «ядерных» энергиях — например, для понимания, как именно устроены ядерные силы или какие именно ядра устойчивы, а какие нет и почему, — она не очень помогает. Во всяком случае, и в «кварковой» теории, и в «обычной» ядерной физике ещё куча неотгаданных загадок. Подрастайте, некоторые из них вас дождутся!
Художник Мария Усеинова
1 Они называются фундаментальными.
2 Есть ещё несколько особых частиц — переносчиков взаимодействия. Здесь мы их обсуждать не будем.