Кварки - кирпичики материи
К началу 60-х годов 20 века, физики располагали целым зоопарком открытых элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию (такие частицы называют адроны и у них есть собственный коллайдер). Этот «зоопарк» насчитывал к тому времени более 100 видов открытых адронов. Почти каждый год открывалась какая-то новая частица, и многим это не нравилось – было очевидно, что открытые частицы не отражали предельный или «фундаментальный» уровень материи. Само слово «фундаментальный» предполагает, что частица не имеет составных частей, иными словами, её нельзя разобрать на части или разделить. Так же многим было очевидно (однако, экспериментально это не было на тот момент подтверждено), что в природе не может быть такого количества фундаментальных строительных блоков или «кирпичиков», если хотите. Поэтому гипотеза о новых фундаментальных частицах, из которых можно строить адроны, казалась вполне правдоподобной.
До того это всех достало, что в 1964 году аж два физика, американец Ма́рри (Мюррей) Гелл-Ма́н (Murray Gell-Mann) и Джордж Цвейг (George Zweig) независимо друг от друга предложили новую модель, в которой адроны состояли из более мелких составных частей, а уже через год эту модель дополнили и развили.
Если кому интересно, как Гэлл-Манн дошёл до жизни такой, гуглим Eightfold way (Восьмеричный путь). Модель изначально предлагала 3 вида таких кирпичиков, а поскольку Гэлл-Манн в то время перечитывал роман Джеймса Джойса (James Joyce) «Поминки по Финнегану» (в оригинале Finnegans Wake), где в одном из эпизодов чайки кричат “Three quarks for Muster Mark”, слово quark ему приглянулось, вот он и назвал эти частицы кварками.
Четыре года спустя, в 1968 году, в Национальной ускорительной лаборатории SLAC (Стенфорд), операторы безбожно тратили деньги американских налогоплательщиков, развлекаясь тем, что обстреливали ни в чём не повинные протоны хорошенько разогнанными электронами, фотографируя последствия.
Результат экспериментов схематично показан на рисунке ниже – видно, что в ряде случаев электрон пролетал протон насквозь, а в других случаях – отскакивал от каких-то препятствий.
На самом деле, фотографии столкновений на ускорителях частиц выглядили примерно так (рисунок не от конкретно этого опыта, просто для представления о том, как выглядит результат эксперимента на ускорителе):
Всё говорило о том, что протон неоднороден и состоит из более мелких частиц. Физики, работающие на SLAC даже не хотели называть открытые ими частицы «кварки», как предлагал Гэлл-Манн. Ричард Фейнман даже придумал для них другое название – «партон» (от part – часть), однако название «кварк» уже закрепилось и сейчас партонами называют все виды составных частей адронов (кварки, анти-кварки и глюоны).
Для того, чтобы расчёты теоретической модели работали, было необходимо немыслимое: «раздробить» заряд электрона, считавшийся до этих пор элементарным (неделимым). Так один тип кварков должен был иметь положительный электрический заряд в 2/3 заряда электрона, а другой – отрицательный заряд в 1/3. Как-то, Гэлл-Манн со своим коллегой Гаральдом Фрицшем обсуждали классификацию кварков и забрели в кафе Baskin-Robbins, где предлагали 31 вкус (flavour) мороженного. Так, благодаря мороженному, типы кварков получили название flavour (изначально – вкус, но в русскоязычной литературе используется термин «аромат»). На всякий случай напомню: ничего общего с реальным вкусом или ароматом кварков данный термин не имеет. Строго говоря, это общее название квантовых чисел (читай — характеристика или свойство), характеризующее тип кварка.
Всего известно о 6 ароматах кварков: верхний (u – up), нижний (d – down), очаровательный (c – charm), странный (s – strange), истинный (t – truth или top) и прелестный (b – beauty или bottom).
Названия ароматов – причуда учёных. Верхний и нижний ароматы были названы, потому что имели разные верхние и нижние компоненты изоспина (ещё одно из свойств кварков), название «странный» было дано кваркам, которые были обнаружены в «странных частицах», открытых в космических лучах ещё до предложенной кварковой модели. Странным в них было то, что у них был странно-долгая продолжительность жизни. Очаровательный аромат был назван Шелдоном Ли Глэшоу и Джеймсом Бьёркеном, работающими в то время на SLAC, по их словам за «очарование и симметрию, которую он привнёс в субъядерный мир». Названия top и bottom были предложены Хаимом Харари, так как они являются «логическими партнёрами» верхнего и нижнего кварков. Хотя, названия последних двух в англоязычной литературе обычно приводятся как top и bottom, но, чтобы не путать up с top, а down с bottom, в русскоязычных источниках используются названия истинный и прелестный. Truth не прижилось, а вот названием прелестный (beauty) иногда пользуются на ускорителях, когда говорят о них, как о «фабриках красоты» (beauty factories). Что между ними общего? Если смотреть по рядам, то масса растёт слева направо, но все сохраняют электрический заряд и спин. Столбцы на картинке представляют собой т. н. «поколения». Чтобы этот пост не превратился в путеводитель по физике частиц, далее будем касаться только верхнего и нижнего кварков, так как почти вся материя нашей вселенной состоит именно из них.
Кварк – частица очень хрупкая и не может существовать в одиночку. Отдельно кварк может прожить невообразимо малое время – менее 3 × 10⁻²⁴ секунды. Ему просто необходимо общество других кварков. Почему? Дело в том, что кварки любят обмениваться энергией с соседями, для чего постоянно посылают соседям «пакеты» энергии, которые называются глюоны. Если кварк не получит энергии взамен утраченной, он попросту исчезнет. Навание глюон произошло от английского слова glue (клей), и очень точно описывает их суть.
Глюоны являются переносчиком сильного ядерного взаимодействия – одной из четырёх фундаментальных сил природы (электромагнитной, сильной, слабой и гравитации). Мы все видели результат электромагнитного взаимодействия или гравитации, однако дальность действия сильного взаимодействия очень мала – она проявляется лишь на расстояниях порядка размера атомного ядра. Так почему же она «сильная»? Потому что на расстоянии её действия, она действительно очень сильна. Эта сила склеивает кварки друг с другом, и ещё остаётся достаточно, чтобы склеить вместе протоны и нейтроны в атомном ядре. Собственно, энергия звёзд – энергия термоядерного синтеза, есть ни что иное, как одно из проявлений сильного ядерного взаимодействия.
Эта сила замечательна ещё и тем, что в отличие от электромагнитного, сила которого убывает с расстоянием, сильное взаимодействие до определённого предела становится тем сильнее, чем взаимодействующие частицы дальше друг от друга. Это похоже на пружину (однако, это неверная аналогия, и ниже я объясню почему): 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.
Сильное взаимодействие так же имеет свой заряд (по аналогии с электрическими зарядами в электромагнитизме), но он не электрический, а цветовой. Да, кварки и глюоны все разноцветные. Нет, разумеется, они слишком малы, чтобы иметь цвет в нашем повседневном смысле (их размер на много порядков меньше, чем длины волн видимого цвета). Тем не менее, кварки могут обладать неэлектрическим «зарядом», которому присвоен определённый «цвет». Строго говоря, это ещё одно квантовое число (читай свойство), которым можно охарактеризовать кварк. Вообще, тот же Фейнман назвал идиотами своих коллег-физиков, кто придумал именовать данный вид заряда «цветом», но что поделать, название прижилось, к тому же, изменение цветового заряда у кварков действительно напоминают процесс смешения цветов. Физики раскрасили кварки в три основных цвета (условно: красный, зелёный и синий), а так же дополнили картину «анти-цветами» (анти-красным, анти-зелёным и анти-синим).
Комбинации цветовых зарядов красный + синий + зелёный, либо анти-красный + анти-синий + анти-зелёный, либо любая пара цвет + анти-цвет дают бесцветный (нулевой цветовой заряд).
Все адроны имеют нулевой цветовой заряд, соответственно, чтобы этого добиться, нужно либо скомбинировать три дополняющих друг друга до нулевого цветовые заряды (красный + синий + зелёный), и тогда получится класс частиц, называемых барионы, либо скомбинировать кварк и анти-кварк, и тогда получится мезон.
Глюоны, испускаемые кварками так же имеют цветной заряд, более того, при выпуске глюона определённого «цвета», сам кварк тоже изменит цвет, так как глюон «унесёт» с собой определённый цветовой компонент. Схематично данный процесс показан на следующей анимации:
Давайте же разберёмся, почему сила, стягивающая кварки вместе – сильное ядерное взаимодействие, увеличивается при увеличении расстояния – это происходит из-за того, что в пространстве между кварками не происходит квантовых флуктуаций, описанных в предыдущем посте, кварки как бы сдавливает друг с другом под давлением квантовой пены. Это эффект сродни описанному в том же посте эффекту Казимира. Как я уже упомянул выше, сравнение глюонов с пружиной – не совсем верная аналогия, на самом деле кварки сдавливаются вместе внешним давлением квантовых флуктуаций. На анимации красным полем показан усреднённый уровень энергии вокруг двух кварков. Между кварками наблюдается провал.
Чем дальше расходятся кварки друг с другом, тем больше энергии в виде «глюонов» вкачивается в пространство между ними. Как уже было сказано в другом посте, чтобы создать по-настоящему пустое место, нужно много энергии. 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. Данное явление получило название Конфайнмент (удержание цвета). По этой же причине, схема протона и нейтрона, на которой обычно показано по три кварка так же неверна. Протон и нейтрон могут содержать какое угодно (нечётное!) число кварков, однако большая часть их – виртуальная (то есть, создана в паре со своим анти-кварком). Самым близким по прадоподобности условным изображением строения протона, что удалось найти, приведено ниже – несколько кварков в квантовой пене (в данном случае – 5, но может быть и 7, 9, 11 – любое нечётное количество, важно лишь, чтобы их суммарный электрический заряд был равен +1, а суммарный цветовой заряд – 0):
На рисунке видно, что помимо верхнего и нижнего кварков, в данный конкретный миг времени в протоне так же присутствует кварк-антикварк пара виртуальных странных кварков. Через миг они могут исчезнуть, а взамен них может появиться ещё какое-нибудь количество виртуальных пар. Так же виден вакуум, который образовался в пространстве между ними. Глюоны, которыми обмениваются кварки, подавляют флуктуации и окружающая квантовая пена сдавливает кварки друг с другом, что и является проявлением сильного фундаментального взаимодействия.
Так же, будет заблуждением считать, что масса протона или нейтрона есть результат взаимодействия кварков с полем Хиггса. Безусловно, данное взаимодействие даёт им какую-то массу (порядка всего 1%). Остальная масса – энергия. Энергия глюонов, которыми постоянно обмениваются кварки.
