Кварки: как были открыты фундаментальные частицы

К середине ХХ в. ученым удалось отыскать множество новых составных частиц атомного ядра — почти все они существовали недолго, зато взаимодействовали с огромной интенсивностью, рассеиваясь одна на другой и предотвращая ядерный распад. Помимо мезонов, в эту обширную группу — группу адронов — вошли барионы (объединяющие в себе нуклоны — протоны и нейтроны — и тяжелые гипероны), а также антибарионы. Они несли в себе разные заряды, у них различались скорость и направление вращения, но их массы явно были как-то связаны с процессом и продуктами распадов. Физики даже попробовали построить модель адронных взаимодействий, классифицировав их по силе столкновений и рассеяний, однако многие зависимости были введены просто как безосновательные правила игры и остались без объяснений, а соответствующие характеристики расположились хаотично.

О том, что адроны можно разделить на семейства, каждому из которых будет отвечать определенная комбинация общих признаков, научный мир узнал от американцев Джорджа Цвейга и Мюррея Гелл-Манна в 1964 г. Независимо друг от друга ученые определили, что признаков (или степеней свободы, или кварков) совсем немного — всего два, но комбинируются они между собой по-разному, и это очень влияет на общую энергию адрона.

Поначалу все думали, будто кварки — просто абстрактные характеристики, ведь воочию их никто не видел. (Кстати, само слово было позаимствовано из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где встречается фраза-каламбур: «Три кварка для мистера Марка».)

Но за последующие четыре года в Стэнфордской лаборатории (SLAC) было завершено создание линейного ускорителя, предназначенного для выбивания заряженных высокоэнергетичных частиц, и ученые поняли: кварки — реальные частицы в составе адронов, и у них есть вполне реальные свойства: электрический заряд, масса, направление и скорость вращения. Подобно тому как протон и электрон удерживаются внутри атома, перебрасываясь мезонами, так и кварки держатся внутри адрона благодаря обмену особым видом частиц — глюонами. И что удивительно, чем дальше расходятся кварки, тем сильнее между ними связь, поэтому ни они, ни глюоны не могут выйти за пределы своего «дома». Такой вот конфайнмент.

Адронная модель по версии Цвейга и Гелл-Манна состояла из двух кварков (up, down, или u, d — верхний и нижний) и их античастиц. Ученые определили, что верхний кварк несет положительный заряд, равный ⅔ протонного, а нижний — отрицательный, и его заряд составляет всего ⅓ заряда протона. Вообще, природа вполне могла бы обойтись только верхним и нижним кварками. Именно они служат стройматериалами для протонов и нейтронов, и при попытке вырвать кварк из родного «дома» тот просто распадается на протон/нейтрон и пион, состоящий опять-таки из этих двух кварков. Потому их стали считать семьей — дублетом — и представлять адроны в виде их комбинаций: барионы, например, как uud или udd, а мезоны — как союзы частицы и античастицы (скажем, uü).

Читать:  Самая мощная рентгеновская машина

Но еще с конца 1940-х ученые замечали, что космические лучи, встречаясь с земной атмосферой, порождают какие-то странные тяжелые частицы, готовые распасться даже при слабеньком столкновении. Частицы вели себя, по тогдашним понятиям, совершенно неадекватно, и объяснить это можно было лишь предположением, что в них содержится новый тип кварка. Поскольку частицы казались всем странными, и гипотетическая материя, сложенная из них, тоже была бы странной, кварки получили название strange (s). Измерение заряда s-кварка показало, что он составляет треть протонного, и это натолкнуло ученых на мысль, что данный кварк тоже должен иметь партнера, заряженного на две трети.

Кроме того, уже был открыт мюон — близнец электрона, схожий с ним по величине заряда, но превосходящий в 207 раз по массе, и все знали, что у каждой частицы имеется личное нейтрино. Логично было предположить, что электрону и электронному нейтрино в атоме соответствует ядро из верхнего и нижнего кварков — все четыре частицы стабильны и составляют основу любой материи на планете. Тогда у нестойких мюона и мюонного нейтрино тоже должна быть своя кварковая пара, а значит, следует искать «брата» странного кварка. Первый шаг к его «поимке» сделали американцы Шелдон Глэшоу и Джеймс Бьоркен: в 1970 г. они предсказали существование очаровательного кварка (charmed) и даже продемонстрировали, как этот самый кварк участвует в быстрых распадах странных тяжелых мезонов — каонов. (Раньше механизм этого процесса был ученым непонятен.) Странность и очарование, по терминологии квантовых физиков, означали одно и то же свойство кварков — выживание в условиях сильного взаимодействия и разрушение при взаимодействии слабом.

Читать:  Тепловые свойства сверхвысокочастотных волн

Увы, долгое время ученые не могли найти подтверждение существованию очаровательного кварка: он был слишком тяжелым, и оборудование лабораторий не справлялось с таким великаном. Если странный кварк весил как 0,1 протона, а верхний и нижний и того меньше, то очаровательный был тяжелее протона, следовательно, частицы с одним таким кварком достигали массы полутора протонов, а обладатели пары c-кварк/антикварк завешивали на три протона! Впрочем, с середины 1960-х благодаря новому мощному протонному синхротрону AGS, запущенному в Нью-Йорке на острове Лонг-Айленд, исследователи получили возможность разгонять пучки протонов до огромных скоростей и воссоздавать разные массивные частицы. Вот тогда-то ускользавший c-кварк наконец-то проявил себя.

Правда, случилось это уже в 1974 г., когда американский профессор Сэмюэл Тинг (р. 1936) наблюдал за столкновениями в AGS протонов и ядер бериллия, влекущими рождение пар электронов и позитронов. Сначала Тинг разгонял исходные частицы до энергии свыше 3,5 ГэВ, но потом снизил обороты и заметил, что при разгоне примерно до 3 ГэВ образуется больше электрон-позитронных пар, чем обычно, а их общая энергия составляет 3,1 ГэВ. Это свидетельствовало о распаде неизвестной частицы, которая весит как три протона. Боясь ошибиться, Тинг еще полгода перепроверял полученные результаты, даже не подозревая, что в Стэнфордской лаборатории, на усовершенствованном ускорителе SLAC, полным ходом идут подобные эксперименты.

Правда, эти исследования носили обратный характер: если Тинг сталкивал протоны, чтобы получить позитроны и электроны, то стэнфордский физик Бертон Рихтер (1931—2018) заставлял сталкиваться электроны с позитронами, дабы отследить треки рожденных в результате адронов. Когда общая энергия разгона достигла 3,1 ГэВ, ученый увидел, что адроны стали образовываться живее, а затем нашел среди них каоны и сделал вывод: такие частицы могли появиться только после распада другой тяжелой частицы, внутри которой содержится очаровательный кварк. Далее энергия электронов и позитронов была доведена до 3,105 ГэВ, вследствие чего адроны стали плодиться в сто раз быстрее, чем раньше, и это позволило Рихтеру заключить: «родителями» каонов являются особые мезоны с массой 3,105 ГэВ — ученый назвал их пси-мезонами (ψ-мезон) и, не мешкая, сообщил о своем открытии всем ведущим физикам мира. А на следующий день в его лабораторию приехал Тинг.

Читать:  Основные законы гидростатики

Ученые не стали спорить, кому принадлежит первенство в открытии новой частицы (Тинг назвал ее джей-мезоном), и одновременно опубликовали свои доклады в авторитетном научном журнале, а через два года получили Нобелевскую премию — одну на двоих. Так и остался их мезон с двойным именем — джей/пси. А позже выяснилось, что в нем содержатся один очаровательный кварк и один такой же антикварк, степень очарования у них 1 и –1 соответственно, так что очарование самого мезона нулевое.

В 1964 г. американские физики Джеймс Кронин и Вэл Фитч опровергли давнее заблуждение относительно того, что при ядерном распаде образованные частицы и античастицы ведут себя одинаково, только в зеркальном отображении, — вращаются с равной скоростью, одинаковым наклоном оси и пр. Более того, ученые показали, что распады одних и тех же частиц (например, каонов) могут давать разные продукты — в одном случает электроны, а в другом позитроны. И что частицы образуются чаще, чем античастицы. Почему происходит такое нарушение симметрии, попробовали объяснить японские ученые Макото Кобаяши и Тосихидэ Маскава, предположив, что во всем виновато «третье поколение» кварков.

Первый представитель этого поколения был найден в 1977 г., когда пучок протонов направили на медную мишень и разогнали до 400 ГэВ. В итоге образовался ипсилон-мезон (ϒ-мезон), в составе которого обнаружился новый кварк и его антикварк массой около 4,7 ГэВ. Ученые дали им имя «красивые» (beauty), а их способность распадаться при слабых взаимодействиях и стойко выдерживать сильные назвали красотой. Напарника b-кварку подобрали только в 1995 г. — именно тогда был открыт последний, истинный кварк (truth). А уже в новом тысячелетии опытным путем были доказаны догадки японских ученых по поводу того, что именно красивый кварк нарушает симметрию ядерных распадов.

Оставить эмоцию
Нравится Тронуло Ха-Ха Ого Печаль Злюсь
1
Подписывайтесь на наши каналы в Яндекс Дзен и Телеграмм

3
Оставить комментарий

avatar
3 Цепочка комментария
0 Ответы по цепочке
0 Последователи
 
Популярнейший комментарий
Цепочка актуального комментария
3 Авторы комментариев
Александр ПоповНиколай Баловвиктор Авторы недавних комментариев
  Подписаться  
новее старее большинство голосов
Уведомление о
виктор
Гость
виктор

Статус фундаментальных ЮНЕСКО присваивает исследованиям, которые способствуют открытию законов природы, пониманию взаимодействий между явлениями и объектами реальной действительности. Все есть число семь и все из числа семь. (Пифагор) НОВЫЙ МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ ПРИРОДЫ ЭНЕРГИИ И МАТЕРИИ ИЛИ ЗАКОН СВЯЗИ ИНФОРМАЦИИ Хижняк В.Д. Автор данной статьи выдвигает идею о том, что время-пространство изначально само по себе, объективно имеет единую природу, динамичную единую форму, проявляющую себя, естественно, на уровне микро-и макромира. Это уже более чем время-пространство, это уже время-пространство-энергия-материя. Или единая первичная элементарная частица (ЕПЭЧ), проявляющая себя как новый научный закон. Доказательство этого положения осуществляется методом построения некой динамической модели времени-пространства-энергии-материи с последующей… Подробнее »

Николай Балов
Участник
Николай Балов

Блокировка с 12-00 до 12-34 24.04.2019 Яндекс Дзен ежедневно, постоянно блокирует мои комментарии о лженаучных статьях, продолжает пропагандировать ложную, бездоказательную «Общепризнанную науку» 21 века. Вот блокируемые комментарии на 10 часов 24.04.2019 года: «Какая гадость всплывшее ваше “Общепризнанное” научное гнильё лженауки 21 века. На истинную фундаментальную науку в прошлом веке наложен запрет Неприкасаемых Избранных, для поддержания устаревшей нефте-газовой экономики. Академия Наук РФ, с 1968 года, запретило указом-постановлением все публикации, порочащие глупую теорию без энергетического вакуумного космоса. Читай об этом на сайте: Научная работа. Мир Ойкумены. Там Всё об окружающем нас мире, от первичной Δ-частицы материи, до Сверх Разума — БОГА. /Николай/.… Подробнее »

Александр Попов
Участник
Александр Попов

НУ ВО ПЕРВЫХ КВАРКИ НЕ КТО НЕ ОТКРЫВАЛ А ИХ ПРОСТО ПРИДУМАЛИ А ПОТОМ БЕЗ ДОКАЗАТЕЛЬСТВ ИХ ВНЕДРИЛИ В ТЕОРИЮ И ВСЕ ШИТО КРЫТО КОМАР НОСА НЕ ПОДТОЧИТ ВСЮ ТЕОРИЮ СФАНТАЗИРОВАЛИ БЕЗ ВСЯКИХ ДОКАЗАТЕЛЬСТВ