Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили

Сначала считалось, что существует всего три типа (называемых «ароматами») кварков. Теперь мы знаем, что всего их шесть, причем каждый обладает различной массой. Протоны и нейтроны состоят всего из двух типов кварков, названия которых довольно незамысловаты: протон содержит два «верхних» кварка и один «нижний», а нейтрон – два «нижних» и один «верхний».

Как выяснилось, заряд протона или электрона представляет собой не самую маленькую единицу электричества. Три кварка заряжены отрицательно и обладают по одной третьей заряда электрона каждый, а другие три кварка заряжены положительно и содержат по две трети заряда протона. Таким образом два верхних кварка, положительный заряд каждого из которых равен двум третям заряда электрона, и один нижний кварк, отрицательный заряд которого равен одной трети заряда электрона, вместе составляют заряд протона, а два нижних и один верхний нивелируют заряды друг друга внутри электрически нейтрального нейтрона.

Фермионы включают три поколения семейств частиц: в нижней части левой колонки находятся кварки, а в нижней части правой – лептоны. Вся состоящая из атомов материя во Вселенной создана исключительно из частиц первого поколения (они изображены на поверхности). В это семейство входят верхние и нижние кварки, которые составляют нуклоны в атомном ядре, электрон и его нейтрино. Частицы второго и третьего поколения гораздо более тяжелы и имеют очень краткий срок жизни. Их можно создавать в ускорителях частиц.

Четыре других аромата называются – хотя на это и нет особых причин – «странностью», «очарованием», «прелестью» и «истинностью». Лично я предпочитаю описание четырех ароматов магии, данное Терри Пратчеттом в романах о Плоском мире: «верхний», «нижний», «поперечный» и «мятный»!

В дополнение к электрическому заряду кварки должны также обладать другим свойством, называемым цветным зарядом. Он необходим, чтобы объяснить, почему для создания нуклонов и всех остальных барионов кварки группируются исключительно по три, но встают в пары кварк/антикварк для создания пионов и сходных с ними мезонов. Подробнее об этом я расскажу в Главе 8.

Сегодня известно о существовании всего двух видов элементарных частиц материи: кварков и лептонов. Лептонами называют все частицы, которые не подвержены сильному ядерному взаимодействию, – то есть все частицы, не имеющие цветного заряда, а иными словами: все элементарные частицы материи, за исключением кварков! К лептонам относится электрон и два его более тяжелых собрата, мюон и таулептон, а также три типа нейтрино.

Что ж, приятно хотя бы осознавать, что первая открытая элементарная частица, обнаруженная более ста лет назад, до сих пор остается элементарной. Отдадим должное электрону.

Так насколько мы уверены, что электроны и кварки представляют собой самые фундаментальные кирпичики материи? Быть может, со временем мы выясним, что они тоже обладают внутренней структурой. Быть может, существует и кое-что более базовое и фундаментальное.

Элементарные компоненты

Фрэнк Клоуз, профессор физики, Оксфордский университет

На различных этапах истории появлялись разные кандидатуры на звание фундаментальных кирпичиков материи. Столетие назад фундаментальными считались атомные элементы, к 1930-м им на смену пришли электроны, протоны и нейтроны. Сегодня электрон по-прежнему в нашем списке, но протоны и нейтроны, как выяснилось, состоят из более мелких частиц – кварков. При изучении истории возникает очевидный вопрос: действительно ли электрон и кварки фундаментальны или же они тоже состоят из еще более мелких частиц, как русские матрешки? Честный ответ таков: мы не знаем! Мы можем лишь сказать, что сегодня ни один из лучших экспериментов не дает и намека на наличие более глубинной структуры. В то же время есть намеки, что в этом слое «космического лука» есть нечто особенное.

Как мы к этому пришли? Есть две экспериментальных техники: рассеяние и спектроскопия.

Если предполагаемый фундаментальный слой на самом деле состоит из более глубинных компонентов, квантовая механика ограничивает способы распределения этих компонентов. Одна из таких конфигураций будет обладать наименьшим количеством энергии: мы называем ее основным состоянием. Один или несколько компонентов могут пребывать в более высокоэнергетическом состоянии, из-за чего вся система будет обладать большим количеством энергии. Компонент может испускать фотон света, теряя энергию в процессе; а поглощение фотона подходящей энергии может переводить систему из основного состояния в более высокоэнергетическое. На основании спектра энергий фотона можно вывести рисунок энергетических уровней (результирующей) системы.

Итоговые энергетические уровни молекулы (из-за вибрации атомов друг возле друга); атома (из-за его электронов); ядра (из-за вибрации и вращения его протонов и нейтронов) и даже самих протона или нейтрона (из-за движения составляющих их кварков) с качественной точки зрения кажутся очень похожими. Однако количественно они различаются.

Единицы энергии на квантовом уровне называются «электронвольтами»: 1эВ = 1,6×10-19 Джоулей. Чтобы вы получили представления о масштабе этой единицы, скажу, что обычно требуется несколько эВ, чтобы выбить электрон из атома. Для возбуждения молекул необходимы миллиэлектронвольты (мэВ); ядра атомов возбуждаются под воздействием миллионов электронвольт (МэВ), а протоны и нейтроны – под воздействием сотен МэВ. Это отражает еще более мелкие масштабы расстояний и действующих сил при переходе от относительно крупных молекул к маленьким протонам. Это первый намек на существование более глубокой структуры. Рассеяние напрямую от этих компонентов (как в экспериментах Резерфорда на атомном ядре или высокоэнергетическое рассеяние пучков электронов на кварках) показывает их внутренние составляющие.

Представим, что мы аналоговым способом перечислили все вариации кварка или электрона, мюона и тау-лептона. Самые легкие из них обладают массой порядка МэВ. Тау-лептон, очарованный кварк и прелестный кварк находятся в масштабе ГэВ (миллиардов эВ), а истинный кварк – сотен ГэВ. Может ли это быть признаком новой спектроскопии, основанной на «субкварках» и «сублептонах»?

Однако здесь не получается следовать по знакомому пути. К примеру, нет никаких признаков электромагнитных переходов (испускания или поглощения фотонов) между «тяжелыми» и «легкими» лептонами, хотя именно это произошло бы, если бы они представляли собой просто возбужденные состояния друг друга. В отношении кварков это тоже верно, хотя свидетельства здесь менее прямые. Кроме того, все эти частицы обладают одинаковым спином (половиной постоянной Планка), а в спектроскопии возбуждения обычно наблюдается весь диапазон значений спина. В дополнение к этому есть косвенные намеки, что существуют максимум три «поколения», в то время как простой спектр возбуждения включал бы в себя весь диапазон состояний. Наконец, их размер (если они вообще существуют) составляет менее 10-18 м, а в таком мизерном измерении их массы должны составлять порядка многих ГэВ, а не МэВ (в случае с верхним и нижним кварками и электроном).

Либо эти частицы действительно фундаментальны, либо здесь работает что-то за пределами традиционной квантовой механики. Любой из этих вариантов представляет чрезвычайный