Всего за 220 руб. Купить полную версию
Резерфорд с помощниками открыл атомное ядро, проводя эксперименты в Манчестерском университете, а для проникновения внутрь протонов и нейтронов потребовался ускоритель длиной 3 километра. Электронные лучи выходили из ускорителя на территории Стэнфордского университета, который находится к югу от Сан-Франциско, и ударяли по цели из водорода, а затем прокладывали путь глубоко внутрь протонов, которые находятся в центре каждого атома. Время от времени электроны резко отскакивали, сбиваясь с курса, причем гораздо сильнее, чем было бы, если бы протоны являлись просто миниатюрным мячиком с электрическим зарядом. Как было и с ядром атома, так и с протоном: электрический заряд протона не размазан ровно по всему объему, а вместо этого сконцентрирован на трех гораздо меньших частицах внутри, известных как кварки. В действительности то, что мы называем протоном, – это не больше, чем три кварка, которые дергаются в разные стороны, пойманные и заключенные в постоянную тюрьму, размер которой не больше одной миллионной части одной миллиардной метра. Если взглянуть на муравейник, то он на первый взгляд кажется единой коричневой кучей, но если приглядеться повнимательнее, он окажется шевелящейся массой крошечных существ. Точно так же протон издали кажется компактным шаром с зарядом, но при внимательном рассмотрении оказывается беспорядочной смесью кварков.
Кварк – фундаментальная частица, обладающая электрическим зарядом. Кварки не встречаются в свободном состоянии, но входят в состав других сильно взаимодействующих частиц, например, протонов и нейтронов. Кварки являются бесструктурными, точечными частицами. В настоящее время известно 6 разных типов кварков, иногда говорят – "ароматов" кварков (u, d, s, c, b, t). Они обладают и дополнительной внутренней характеристикой, которая называется "цвет" (что является специфическим квантовым числом). Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.
Пузырьковая камера Глейзера произвела революцию – и появились целые семьи новых частиц. Упорядочить их удалось только спустя десять лет
Гипотеза о существовании кварков, то есть о специфических субъединицах, из которых состоят протоны, нейтроны и другие частицы, была впервые выдвинута в 1964 году, причем это сделали двое ученых – американский физик Мюррей Гелл-Манн и американский физик и нейробиолог Джордж Цвейг – независимо друг от друга. Оба предложили свои названия. Цвейг называл их "тузами" (он предполагал, что существует четыре кварка), но это название не прижилось, поскольку кварков в признанной модели три, а к настоящему времени известно шесть типов. Гелл-Манн позаимствовал слово "кварк" из романа Джеймса Джойса "Поминки по Финнегану", в котором чайки кричат: "Три кварка для мистера Марка!". Скорее всего, это подражание звукам, которые издают чайки, но точно это неизвестно. Еще в 1961 году Гелл-Манн предложил классификацию элементарных частиц – и в настоящее время она объясняется при помощи кварковой модели. Вообще, современная теория взаимодействия кварков основывается на работах Гелл-Манна. Он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1969 году за открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий.
Кварки естественным образом группируются в три так называемых поколения (правда, пока неизвестно, почему это происходит). Кваркам, таким образом разделенным на группы, были даны интересные названия: верхний и нижний (первое поколение); странный и очарованный (второе поколение); прелестный и истинный (третье поколение). В каждом поколении один кварк обладает зарядом +2⁄3, а другой – зарядом -1⁄3.
Эрнест Резерфорд (1871–1937) – создатель учения о строении атома. Предложил планетарную модель атома (положительно заряженного очень маленького ядра, содержащего бо́льшую часть массы атома, и отрицательно заряженных легких электронов, вращающихся вокруг него)
Кварки участвуют в различных взаимодействиях, среди которых можно назвать электромагнитные, гравитационные, сильные и слабые. Сильные взаимодействия могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут повлиять на аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не способен удалиться на какое-либо существенное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде, как было сказано выше. Разлететься могут лишь "бесцветные" комбинации кварков, они называются адронами.
Естественно возникает вопрос: а почему ученые уверены в существовании кварков, если в свободном виде их увидеть нельзя? Не будем нагружать вас многочисленными подтверждениями, которые приводились до появления мощных ускорителей частиц. Но теперь они есть, и их энергии постоянно повышаются, поэтому стало возможным попытаться выбить отдельный кварк из адрона при высокоэнергетическом столкновении. Кварковая теория давала четкие предсказания, как должны выглядеть результаты таких столкновений – в виде струй. Такие струи действительно наблюдаются в экспериментах. А если бы протон ни из чего не состоял, то струй бы не было. Также эксперименты подтвердили, что, например, для протона скорость получается точно такая, какая теоретически ожидалась для объекта, состоящего из трех кварков. А при столкновениях протонов с высокими энергиями экспериментально наблюдается аннигиляция кварка одного протона с антикварком другого протона с образованием пары мюон-антимюон. Также можно сказать, что гипотеза кварков и все, что из нее вытекает относительно строения адронов, способна объяснить имеющиеся экспериментальные данные. Попытки обойтись без кварков наталкиваются на трудности с описанием всех тех многочисленных экспериментов, которые очень естественно описывались в кварковой модели.
Однако до сих пор не найдены ответы на ряд вопросов. Почему существует три поколения кварков? Почему существует три цвета? Почему такой разброс в массах и из чего состоят сами кварки? Некоторые ученые считают, что кварки состоят из чего-то более простого. Рабочее название для гипотетических частиц-составляющих кварков уже придумано: преоны. С точки зрения данных экспериментов, до сих пор никаких подозрений на неточечную структуру кварков не возникало. Однако попытки построить такие теории делаются независимо от экспериментов.
Кварки плотно прикрепляются друг к другу, по три (в случае барионов, мезоны состоят из кварка и антикварка), и таким образом получаются протоны, нейтроны и другие многочисленные частицы. Два типа ядерных частиц, протоны и нейтроны, сами состоят из двух типов кварков, верхнего и нижнего, которые мы упоминали выше при рассказе о поколениях кварков. У этих зерен материи есть электрические заряды, величины которых являются лишь частями заряда протона. У протона положительный заряд, а, например, заряд верхнего кварка – 2/3 положительный, заряд нижнего кварка – 1/3 отрицательный. Два верхних кварка и один нижний кварк составляют протон (2/3 + 2/3 – 1/3 = 1). Два нижних кварка и один верхний дают нулевой заряд (2/3 – 1/3 – 1/3 = 0), а это и есть нейтрон.
Существуют комбинации трех верхних кварков и трех нижних, эти частицы имеют короткий срок жизни, они называются "дельта". Добавим к паре верхний и нижний кварк третий тип кварка, который называется "странный" (это второе поколение, как мы упоминали выше), с тем же электрическим зарядом, что и нижний кварк (-1/3). Он по сути идентичен последнему во всем, кроме массы (примерно на 20 % тяжелее) – и вы получаете странную частицу. Чем больше странных кварков в тройке, тем более странной получается частица. В протоне и нейтроне нет странных кварков. В более тяжелых и немного странных частицах под названиями "лямбда" и "сигма" есть по одному странному кварку. Более странная частица кси содержит два странных кварка, а самая странная из всех – омега – состоит из трех странных кварков.
Уравнение Дирака относится к кваркам точно так же, как к электронам и протонам, и при этом имеется тот же намек на антиматерию. Позитрон – это зеркальная античастица по отношению к электрону, и точно так же антикварк – это зеркальное отражение кварка, у него та же масса, тот же размер и тот же электрический заряд, что и у кварка, только знак этого электрического заряда меняется на противоположный. Таким же образом антиверхний кварк (вы можете называть его "верхний антикварк", если вам так больше нравится, или "антиверхний антикварк", поскольку общепринятого названия не существует) имеет заряд -2/3 вместо +2/3, а у антинижнего кварка заряд +1/3 вместо -1/3. Точно так же, как два верхних и один нижний составляют положительный протон, два антиверхних и один антинижний составляют отрицательный антипротон. И так же два антинижних и один антиверхний составляют антинейтрон. У всех странных частиц под греческими названиями, например, лямбда, сигма, кси и омега, имеется какой-то "анти"-двойник. Замените любой из типов кварков на соответствующий антикварк, и вы получите антилямбду, антисигму и т. д. Их получали во время экспериментов, когда свободная энергия при столкновении луча протонов, выходящего из ускорителя, и цель в лаборатории давали новые частицы и античастицы. Каждая из полученных частиц, похоже, имеет своего двойника, идеальное зеркальное отражение – это нечто типа инь и ян.