Ещё дальше в микромир: кварки

Валерия Сирота
«Квантик» №10, 2019

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?

На первый вопрос постараемся ответить чуть позже, а пока начнём со второго. В прошлой статье мы обсуждали атомные реакторы: там для разбивания ядер используют нейтроны. Это нужно для создания цепной реакции: среди осколков ядер много нейтронов, а отсутствие электрического заряда даёт им возможность спокойно «подобраться» к ядру — электрическое отталкивание не мешает. Но это годится, когда требуется много не очень сильных столкновений — ведь непрочные ядра урана или плутония и так готовы развалиться, только подтолкни. А нам нужно пусть всего несколько, но так, чтобы уж стукнуть так стукнуть! Для этого нейтроны не годятся: их, опять-таки из-за отсутствия заряда, очень трудно разогнать до большой скорости. Только если нагреть до каких-то совсем уж гигантских температур, но с таким нагретым веществом очень трудно справляться. Да и лететь они тогда будут куда попало, могут попасть совсем не в те ядра, в которые мы хотели... Гораздо лучше для этой цели иметь дело с протонами. Их удобно разгонять — достаточно просто поместить их в электрическое поле. Для этого нужно, грубо говоря, взять две параллельные металлические пластины и присоединить их проводами к полюсам батарейки — вот между пластинами и готово электрическое поле. Только батарейка для наших целей нужна очень мощная. Управлять пучком заряженных частиц тоже удобно: их легко заставить повернуть с помощью магнита. Когда пучок протонов готов, можно обстрелять им какую-нибудь мишень; часть протонов пролетит мимо, но некоторые ударятся в ядра мишени.

Но тут надо сказать, что когда протон очень быстрый, он не ударяется (говорят: рассеивается) обо всё ядро целиком, а влетает в ядро и стукается об один какой-то из его протонов или нейтронов. А раз так, можно сделать ещё лучше: не обстреливать неподвижную мишень быстрыми протонами, а разогнать два пучка частиц и направить навстречу друг другу! То-то сильный получится удар! Особенно если взять один пучок протонов, а другой — антипротонов. Помните? — У антипротонов заряд отрицательный, и электрическое отталкивание не будет мешать ему и встречному протону подлететь друг к другу поближе. Даже наоборот, электрическое притяжение поможет.

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.

В этом случае сохранения массы уже нет; есть только сохранение энергии. И если энергии достаточно много, можно «из ничего» (на самом деле как раз «из энергии») делать что-то, например частицы. А масса — это только один из видов энергии, один из способов её хранения. Вам, возможно, попадалась на глаза красивая формула Эйнштейна: E = mc². Она как раз об этом. С этой точки зрения, частица — это всего лишь определённый, хорошо упакованный кусок энергии. Правда, просто взять и сделать из ничего одну частицу нельзя. Есть всё-таки ещё другие ограничения — другие законы сохранения. Например, должен сохраняться электрический заряд. Поэтому сделать один протон нельзя. А вот пару протон — антипротон — пожалуйста! Если, конечно, достаточно энергии.

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?

Физики и тут придумали, как выйти из положения. Оказывается, всё это множество элементарных частиц состоит всего из нескольких видов ещё более элементарных частиц¹.

А именно, все обнаруженные частицы можно разделить на две группы — лептоны и адроны². Лептонов всего 12, и они ни из чего уже больше не состоят (по крайней мере, мы сейчас так думаем). Из них мы уже знакомы с четырьмя — электрон, нейтрино и их античастицы, позитрон и антинейтрино. Есть ещё мюон и таон (тау-лептон), похожие на электрон и имеющие такой же заряд, но более тяжёлые, и два соответствующих типа нейтрино — мюонное и тау. Плюс их античастицы. Все они не участвуют в сильных взаимодействиях, но участвуют в слабых — то есть в превращениях частиц друг в друга.

Таблица 1. Лептоны

И ещё античастицы: \(e\)⁺, \(μ\)⁺, \(τ\)⁺ — заряд +1, \(\bar{ν}\)_\(e\), \(\bar{ν}\)_\(μ\), \(\bar{ν}\)_\(τ\) — антинейтрино, заряд 0. Массы нейтрино неизвестны, есть только ограничения сверху.

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.

Частицы, состоящие из двух кварков, называются мезонами. Точнее, они состоят из кварка и антикварка, иначе не получится целый заряд. Например, \(u\bar{d}\) — это π⁺-мезон (читается: пи-плюс). Все частицы, имеющие s-кварк (или его антикварк), называются странными, имеющие с-кварк — очарованными, имеющие b-кварк — прелестными.

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.