CC BY
80Маргарита Ивановна Турбина,
криолитолог
М. И.Турбина
Когда я думал, что достиг самого дна, снизу постучали.
Ежи Лец
Невероятное множество частиц (около двухсот), открытых в конце 1950-х - начале 1960-х годов, требовало упорядочения. В то время об «элементарных» частицах как первооснове материи никто уже не говорил. Благодаря развитию ускорительной техники удалось установить,
что большинство известных частиц не являются элементарными [1]. Только лептоны проявляли себя как элементарные частицы. Трудности возникали с многочисленными адро-нами [2], в свойствах и поведении которых обнаруживались необъяснимые закономерности1.
1 Например, величина экспериментально определяемого магнитного момента (см. сноску 2) протона не совпадала с расчётной. «Поэтому быстро осознали, что внутри протона происходит что-то, не объясняемое уравнениями квантовой электродинамики (см. сноску 3). Нейтрон, если он действительно нейтрален, не должен бы вообще взаимодействовать с магнитным полем. Но у него оказался магнитный момент - примерно -1,93! Так что уже давно было известно, что и в нейтроне происходит нечто сомнительное. Существовала и ещё одна проблема: что связывает протоны и нейтроны внутри ядра? ... Великие изобретатели вроде Гелл-Мана ... в начале 1970-х годов создали теорию сильных взаимодействий (или "квантовую хромодинами-ку"), в которой основными действующими лицами являются частицы, получившие название "кварков"» [3, с. 149-150].
2 Магнитный момент - основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Этим свойством обладают элементарные частицы, атомные ядра, электронные оболочки атомов и молекул. Магнитный момент элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов и др.), как показала квантовая механика (см. сноску 4), обусловлен существованием у них собственного механического момента - спина (см. сноску 5) (http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwik/5184).
3 Квантовая электродинамика - квантовая теория поля для электромагнитного взаимодействия между электрически заряженными частицами, переносимого фотонами [4].
На фото вверху - оказалось, что частицы, которые считались когда-то элементарными, состоят из ещё более фундаментальных - кварков (www.vokrugsveta.ru). (В представлении художника)
Однако оказалось, что все адроны можно определённым образом систематизировать. Наиболее успешной из разрабатываемых схем их классификации оказалась предложенная в 1961 г М. Гелл-Маном6 и независимо от него в 1962 г. Ю. Нееманом7 система как аналог периодической таблицы элементов Менделеева, получившая название «восьмеричный путь»8. Подобно таблице химических элементов она предсказывала существование новых пока не наблюдаемых частиц, и в одной из моделей этой системы был пробел, соответствующий ещё не открытой частице [7]. Новую систематику не все физики восприняли всерьёз. Однако в 1964 г во время экспериментов была открыта недостающая и обладавшая предсказанными свойствами частица омега-минус-гиперон10 (рис. 1). Это обстоятельство вынудило скептиков изме-
нить свои убеждения. Таким образом, восьмеричный путь стал научной догмой [7]. Вскоре выяснилось, что история на нём не заканчивается, так как некоторые закономерности построения этой системы оставались загадочными. В 1964 г11 независимо друг от друга М. Гелл-Ман и Д. Цвейг поняли: проведённая с помощью математической теории групп классификация частиц по схеме, в основании которой лежит тройная симметрия12, была необходимым звеном и оказалась возможной благодаря существованию глубинных причин, управляющих «устройством» и свойствами кажущегося беспорядочным множества адро-нов. Отсюда требовалось представление: адроны должны состоять из трёх фундаментальных структур [1]. Эти три гипотетических объекта Гелл-Ман назвал кварками13. Но оставалась проблема: никто не видел этих частиц.
и-
Рис. 1. Снимок в пузырьковой
камере: виден процесс рождения и распада первого зарегистрированного омега-минус-гиперона. К-мезон взаимодействует с протоном; образуются омега-минус-гиперон и два мезона (К и К+), которые далее распадаются на другие частицы. Справа - расшифровка
снимка. Траектории нейтральных частиц, не видимых в пузырьковой камере, отмечены пунктиром (www.vokrugsveta.ru)
4 Квантовая механика - область физики, изучающая поведение атомов и субатомных частиц [5].
5 «Спин - вид момента импульса, свойство всех элементарных частиц. Хотя сначала спин электрона понимался как его "самовращение" (вращение электрона вокруг своей оси, вроде волчка), спин представляет собой релятивистский феномен и не имеет аналога в классической физике» [4, с. 245].
6 Гелл-Ман Марри (г. р. 1929), американский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии 1969 г. [6].
7 Нееман Юваль (1925 - 2006 гг.), видный израильский физик-теоретик (http://cyclowiki.org/wiki/).
8 Группировка адронов в супермультиплеты включала восемь параметров, или квантовых чисел (см. сноску 9). Таким образом, в названии Гелл-Ман иронично обыграл аналогичный термин буддизма, означающий восемь ступеней погружения в нирвану [5, 7].
9 Квантовые числа - целые или дробные числа, определяющие возможные значения физических величин, характеризующих квантовую систему (молекулу, атом, атомное ядро, элементарную частицу). Квантовые числа отражают дискретность (квантован-ность) физических величин, характеризующих микросистему (http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/9462з/Квантовые).
10 Среди вновь открытых странных частиц оказались частицы, имеющие массу покоя больше массы покоя нуклона. Они были названы гиперонами. К ним относятся Л, I0, 1+, I-, Е0, Е-. О- (https://ш.wikipedia.org/wiki/Странные_частицы).
11 Существование у протона внутренней структуры доказали американский физик Р. Хофстедтер в 1957 г. (он изучал пространственное распределение электрического заряда протона) и наш выдающийся учёный В. Гольданский в 1960 г (он исследовал электрическую и магнитную поляризуемость протона) [8]. В 1959 г. систематизацию элементарных частиц, состоящих из «элементарных возмущений», предложил выдающийся советский кристаллофизик И. С. Желудев (1921 - 1996 гг.), исходя из принципов сохранения и симметрии (см. сноску 12). То есть в основных чертах он предвосхитил модели Гелл-Мана и Цвейга [5].
12 Симметрия. «Преобразование, при котором физическая система не меняется (например, сфера не меняется при вращении относительно своего центра); преобразование физической системы, не влияющее на законы, описывающие эту систему» (9, с. 556). «В физике существование преобразований симметрии в системе означает, что существует определённая процедура перегруппировки системы, оставляющая неизменными все её измеримые физические свойства» [10, с. 163].
13 Гелл-Ман взял слово «кварк» из романа ирландского писателя-модерниста Дж. Джойса (1882 - 1941 гг.) «Поминки по Финне-гану», где в одном из эпизодов герой романа видит кошмарный сон: за ним летят какие-то странные птицы и кричат: «Трикварка для мистера Марка! Три кварка, три кварка, три кварка!!!». Цвейг назвал свои частицы «тузами», однако такое название не прижилось и забылось, может быть потому, что тузов четыре, а кварков в первоначальной модели было три [7].
Первым свидетельством реального существования кварков оказались результаты экспериментов по глубоко неупругому рассеянию14, выполненных Д. Фридманом, Г. Кендаллом и Р Тейлором15 с 1967 по 1973 гг. в Станфордском центре линейного ускорителя (SLAC). Было выявлено, как ведут себя электроны, рассеивающиеся на протонах. Глубокий теоретический анализ результатов хорошо поставленных экспериментов, проведенный физиками-теоретиками Д. Бьеркеном и Р. Фейнманом16, показал, что они хорошо согласуются с предположением о наличии в атомном ядре исследуемых частиц некой структуры - точечно-подобных объектов. Отсюда следовал вывод: протон не является элементарной частицей [10 - 12]. Р. Фейнман назвал данные объекты партонами (от англ. part - часть), на роль которых, в конце концов, были предложены кварки. Согласно Гелл-Ману и Цвейгу, каждый из множества адронов должен состоять из определённой комбинации кварков и антикварков17 [12].
Гелл-Ман постулировал существование лишь трёх типов кварков, которые составляют все субъядерные частицы. Первые два (и- и d-кварки) входят в состав протонов и нейтронов, образующих атомные ядра (рис. 2). Существуют также короткоживущие субъядерные частицы, состоящие из трёх u-кварков или из трёх
d-кварков. Некоторые элементарные частицы не состоят из кварков. Это первая открытая элементарная частица - электрон. То же самое касается различных нейтрино. Все эти частицы в совокупности известны как лептоны (см. табл.) [2].
Третий тип кварков - s-кварк18 (strange - странный кварк) - был необходим для объяснения странных частиц, содержащих, как мы теперь знаем, странные кварки [2]. Например, частица кси-минус-гиперон состоит из двух s-кварков и одного d-кварка. Знаменитая омега-минус-гиперон образована тремя s-кварками [7].
Таким образом, с 1964 г. были известны четыре разновидности лептонов, образующих две пары. Это были электрон и электронное нейтрино, а также мюон [2] (эта частица во многом напоминает электрон, но в 200 раз тяжелее его) и мюонное нейтрино19. Стало ясно, что модель Гелл-Мана с участием всего трёх типов кварков (и, d и s) необходимо дополнить, чтобы говорить как о двух лептонных, так и о двух кварковых парах [7]. Такие соображения привели в 1964 г. Ш. Глэшоу20 и Дж. Бьеркена к предположению о существовании четвёртого кварка. Они назвали его очарованным (charm - с-кварк), так как, по признанию Глэшоу, они были очарованы и довольны симметрией, которую он мог бы внести в субатомный мир21. Многие физики были в сомнении и только к весне
О О
о
Proton
Рис. 2. Кварковая структура
протона и нейтрона (схематическое изображение).
На самом деле там, внутри, всё непрерывно «кипит» (elemtnty.ru)
Neutron
14 Глубоко неупругое рассеяние - это вид рассеяния частиц при столкновении, в котором большая часть энергии ускоренной частицы (например, электрона) затрачивается на уничтожение частицы-мишени (например, протона). Ускоренная частица выходит из столкновения с гораздо меньшим количеством энергии, а частица-мишень рассыпается на множество разных адронов [4].
15 В 1990 г. Фридман, Кендалл и Тейлор были удостоены Нобелевской премии [10].
16 Фейнман Р. Ф. (1918 - 1988 гг.), американский физик-теоретик, один из основателей квантовой электродинамики. Работы по квантовой механике, квантовой теории поля и др. Лауреат Нобелевской премии (1965. г., совместно с С. Томонагой и Дж. Швингером) [6].
17 Кварки, как и другие частицы, имеют соответствующие античастицы. В отличие от кварков антикварки обладают не цветом (см. сноску 34), а антицветом, т. е. противоположным цветовым зарядом [12].
18 Введение в теорию э-кварка позволило объяснить свойства каонов (К-мезонов) и пионов (п-мезонов), открытых в 1947 г. в космических лучах, а также других странных частиц, обнаруженных в ходе экспериментов на ускорителях, но сам э-кварк не был известен до 1964 г., когда была разработана кварковая модель (https://ru.wikipedia.org/wiki/S-кварк).
19 В 1961 г. было экспериментально доказано, что нейтрино, сопровождающее мюон, отличается от нейтрино, сопровождающего электрон. За открытие мюонного нейтрино, второго члена второго семейства лептонов, Л. Ледерман, М. Шварц и Д. Штейнбергер получили Нобелевскую премию по физике в 1988 г. [7].
20 Глэшоу Шелдон Ли (г. р. 1932), американский физик, лауреат Нобелевской премии (1979 г., совместно с С. Вайнбергом и А. Саламом) за создание объединённой теории электромагнитного и слабого взаимодействий.
21 «Теория без очарования была очень асимметрична и предсказывала некоторые виды асимметрии, которых в природе, по известным данным, не было. Очарованный кварк восстановил бы требуемую симметрию, тем самым устраняя расхождение с опытом» [7, с. 159].
1974 г убедились в том, что без очарования и адронов, содержащих очарованные кварки, не обойтись. В апреле 1974 г на бостонском заседании по мезонной спектроскопии Глэ-шоу предсказал, что очарование очень скоро откроют и пообещал съесть свою шляпу, если этого не произойдёт до следующего подобного заседания [7]. В ноябре того же года об открытии новой частицы - мезона (образованного очарованными кварком и антикварком) -одновременно объявили две группы учёных, поэтому она получила двойное обозначение JW. Вскоре учёные-физики показали, что эти мезоны обладают предсказанными ранее свойствами [4, 7]. Таким образом, Глэшоу не пришлось есть свою шляпу на состоявшейся в 1976 г. конференции по спектроскопии. Напротив, организаторы конференции раздали всем участникам леденцы в виде шляп [7].
После открытия очарования казалось, что Стандартная модель22 физики частиц материи имеет законченный вид. В ней присутствовали два симметричных семейства фермионов24: существенные26 и несущественные. Однако всё оказалось не так просто. Первое свидетельство существования третьего семейства элементарных частиц обнаружил Мартин Перл27. В 1975 г. он открыл тау-лептон, более тяжёлый вариант мюона. Эта частица имеет сопутствующее ему тау-нейтрино [7]. В 1977 г группа Ледермана доказала существование пятого кварка, названного прелестным (beauty- b-кварк). Он похож на d- или s-кварк, но более тяжёлый (его масса в пять раз больше массы протона). После 20 лет28 поисков проявился на опыте и шестой кварк. Его назвали истинным (truth) или t-кварком [10]. На рис. 3 схематично представлено рождение t-кварков и их необычное поведение.
Все семейства кварков и лептонов выстроены в таблице Стандартной модели (рис. 4) в три колонки, получившие название
Рис. 3. В экспериментах на американском коллайдере «Теватрон» физики обнаружили странное поведение икварков, возникающих при столкновениях протонов и антипротонов: эти сверхтяжёлые кварки более чем
в пять раз чаще «предпочитали» лететь вперёд по направлению пучка, чем назад, хотя существующая теория не предсказывает такой асимметрии (modcos.com)
22 «Нобелевский лауреат, физик С. Вайнберг (см. сноску 23. - Прим. М. Т.) придумал название "Стандартная модель" для обозначения хорошо установленной теории в физике частиц, которая описывает взаимодействия этих фундаментальных строительных блоков вещества - электронов, и- и d-кварков, а также других фундаментальных частиц. ... Стандартная модель описывает три из четырёх сил, за счёт которых взаимодействуют элементарные частицы: электромагнетизм, сильное взаимодействие, слабое взаимодействие (гравитация обычно опускается)» [10, с. 76].
23 Вайнберг Стивен (г. р. 1933), американский физик. Труды по физике элементарных частиц. Лауреат Нобелевской премии (1979 г., совместно с Ш. Глэшоу и А. Саламом) за создание объединённой теории электромагнитного и слабого взаимодействий.
24 Фермионы - частицы с полуцелым спином (1/2, 2/3 и т. д.). К ним относятся кварки, лептоны и многие составные частицы, образованные разными комбинациями кварков, например, барионы (см. сноску 25). Названы так в честь итальянского физика Энрико Ферми [4].
25 Барионы (от греч. Ьагуэ - тяжёлый) - тяжёлые частицы, испытывающие сильное ядерное взаимодействие и входящие в класс адронов. К ним относятся протоны и нейтроны, а также их более тяжёлые собратья - гипероны. Барионы состоят из триплетов (трёх) кварков [4, 15].
26 Термин «существенные частицы» употребляется в смысле необходимости данных частиц для определённых процессов, например, для образования материи [7].
27 Перл М. Л. (г. р. 1927), американский физик. Труды по физике элементарных частиц. Лауреат Нобелевской премии (1995 г., совместно с Ф. Райнесом) [6].
28 «Такие долгие поиски топ-кварка связаны с тем, что он был существенно тяжелее уже открытых кварков. Когда ^кварк был найден, оказалось, что его масса почти в 200 раз больше массы протона» [10, с. 154].
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Ядра внутри всех атомов Вселенной содержат всего лишь две известные фундаментальные частицы: кварки и глю-оны. Глюоны принадлежат к категории частиц, называемых бозонами (справа), которые, за исключением бозона Хиггса, служат переносчиками сил природы. Глюоны переносят самую мощную из всех сил— силу сильного взаимодействия, ответственную за связывание в единое целое кварков внутри протонов и нейтронов. Помимо бозонов, другие известные фундаментальные частицы во Вселенной относят к классу фермионов (слева), который включает в себя лептоны, такие как электрон, и кварки. Кварки бывают шести видов, или, как говорят физики, «ароматов», но кварки лишь двух ароматов, «верхний» и «нижний», компоненты протонов и нейтронов обнаружены в природе в большом количестве.
Поколение II Поколение III
Спин Заряд
Масса (МэВ)*
Бозон
Хиггса
Фермионы по возрастанию массы
Рис. 4. Таблица элементарных частиц Стандартной модели [13].
Примечание. * 1 МэВ (мегаэлектронвольт) = 106 эВ (электронвольт)29. В единицах массы 1 эВ = 1,78 • 10-36 кг
«поколения»30. Среди них шесть типов (или ароматов33) кварков, каждый из которых существует в трёх разновидностях в зависимости от свойства, условно названного цветом34. Кварки различных цветов притягиваются друг к другу. Следующая шестёрка типов частиц материи - лептоны (см. таблицу). Кварки и лептоны образуют всю известную стабильную материю в нашей Вселенной.
Другие частицы, описываемые Стандартной моделью, выполняют иную работу [10]. Фотоны - кванты, «частицы света», переносят электромагнитное взаимодействие. Частицы, метко названные глюонами35 (от английского glue - клей), являющиеся носителями сильного взаимодействия, «склеивают» кварки внутри атомных ядер. W- и Z-бозоны36 определяют слабые взаимодействия. Открытый в 2012 г. бозон Хиггса отвечает, как считается, за придание частицам массы.
Каждое поколение содержит, соответственно, всё более тяжёлые модификации частиц каждого типа. Во втором и третьем поколениях - нестабильные частицы, которые отсутствуют в «нормальном» и известном веществе. Эти частицы не являются точными копиями первого поколения. Хотя их заряды тождественны первым, но сами частицы тяжелее37 [10].
Чтобы избежать противоречий в своей кварковой теории, Гелл-Ман сделал предположение, что кварки переносят дробные38 электрические заряды, пропорциональные одной трети заряда электрона: u-кварк имеет заряд 2/3, а d-кварк - заряд, равный -1/3.
Современная кварковая теория утверждает, что кварки почти никогда не существуют изолированно39. В виде свободных частиц - прежде чем они соединятся друг с другом, образуя другие субатомные частицы, -кварки находятся невообразимо короткое время (менее 3 ■ 10-24 секунды) [13]. При распаде частиц кварки каким-то образом комбинируются так, что в результате в продуктах распада видны не кварки, а только какие-то элементарные частицы [10]. Сам факт связанного «внутри-частичного» существования кварков, о котором можно судить только по специфическим сторонам поведения
29 В физике элементарных частиц в электронвольтах измеряют не только энергию, но и массу (это можно сделать, исходя из эквивалентности массы и энергии согласно уравнению Эйнштейна Е = тс2). Вследствие малой величины эВ обычно применяют кратные единицы: килоэлектронвольт (кэВ - 103 эВ); мегаэлектронвольт (МэВ - 106 эВ); гигаэлектронвольт (ГэВ -109 эВ); тераэлектронвольт (ТэВ - 1012 эВ). Рекордная (в настоящее время) для физики элементарных частиц энергия 14 ТэВ чрезвычайно мала (1 эВ = 1,6 • 10-16 Дж). Один ТэВ приблизительно равен (кинетической) энергии летящего комара [1, 15] (https://ru.wikipedia.org/wiki/Электронвольт).
30 Существование именно трёх поколений кварков долгое время вызывало вопросы. В 1973 г., ещё до открытия Ь- и кварков, японские учёные М. Кобаяши и Т. Маскава определили, что экспериментально обнаруженное в 1964 г. нарушение СР-инвариантнос-ти (см. сноску 31) можно объяснить, если ввести ещё два кварка, которые вместе с уже открытыми составили бы три поколения этих частиц. Догадка о необходимости существования в природе трёх поколений кварков блестяще подтвердилась, что было отмечено Нобелевской премией 2008 г. (совместно с Й. Намбу - половина премии за другую работу) [12, 16].
31 Нарушение СР-инвариантности - явление, в котором слабые взаимодействия приводят к разным результатам в случае, если от одной системы частиц перейти к другой, произведя зеркальное отображение и заменив частицы на античастицы (зарядовое сопряжение) [12]. После того, как это явление было установлено, А. Д. Сахаров (см. сноску 32) сразу же отметил, что именно невыполнение СР-инвариантности на ранних стадиях образования Вселенной могло привести к её барионной асимметрии - преобладанию вещества над антивеществом. Тогда весь наш мир порождён нарушенной симметрией [16].
32 Сахаров Андрей Дмитриевич (1921 - 1989 гг.), физик-теоретик, общественный деятель, академик АН СССР (1953 г.). Один из создателей водородной бомбы (1953 г.) в СССР Лауреат Нобелевской премии мира (1975 г.) [6].
33 Для различения шести типов кварков сложилась весьма эксцентричная терминология, которая вводит «аромат» - определение, не связанное с реальным значением этого слова в нашей жизни. В зависимости от аромата кварк может быть верхним, нижним, очарованным и т. д. [10].
самих элементарных частиц, в состав которых они входят, назван «конфайнмент» - пленение кварков внутри адронов [5]. Все свойства кварков определяются путём расчётов косвенным путём через свойства адронов.
Протоны и нейтроны - не единственные частицы во Вселенной, состоящие из кварков. Как отмечалось, в минувшую половину столетия в ходе экспериментов на ускорителях было получено множество других частиц, относящихся к адронам. Экспериментально доказано, что барионы состоят из трёх кварков, мезоны - из кварка и антикварка. Однако известные законы не запреща-
ют существования адронов из других комбинаций квар-ков41. Здесь главное - выполнение требования теории кварков - бесцветность барионов и мезонов [25].
Экспериментальные методы, используемые в наше время, позволили учёным заглянуть внутрь протонов и нейтронов. Они «...открывают внутри них настоящий "симфонический оркестр". Каждая из этих частиц состоит из трёх кварков и различного числа глюонов, а также из того, что мы называем морем кварков: пар "кварк - антикварк" (кварки в сопровождении своих партнёров из антиматерии, антикварков), которые
34 «Цвет - это количественная характеристика (заряд) сильного взаимодействия, носителями которого являются кварки. Поэтому цвет - характеристика взаимодействия между кварками» [17, с. 142]. Кварки каждого аромата обладают красным, зелёным или синим зарядом. Известно, что в цветовой гамме эти три дополнительных цвета в сумме дают белый. Таким образом, при образовании из кварков адронов комбинация цветных кварков даёт бесцветный адрон. Считается, что мезоны, состоящие из кварка и антикварка, как бы непрерывно меняют свой цвет, поэтому в целом остаются бесцветными [18]. Понятно, что «цвет» - это произвольное название, никак не связанное с визуальными ощущениями в повседневной жизни [10].
35 Глюоны (gluon - от англ. glue - «клей») - переносчики сильного взаимодействия между кварками. Они также принимают участие во взаимодействиях, а не просто переносят его от одной частицы к другой. Эти частицы с нулевой массой предсказал Гелл-Ман в 1973 г. [5]. Косвенное доказательство существования глюонов было получено в 1979 г., а первое прямое экспериментальное - десятью годами позже (г. Гамбург, ФРГ) (http://expert-trader.ш/hy-mnoemnaivaloel51/Глюон).
36 Бозоны - все частицы с целочисленным спином (1, 2, ...). Названы в честь индийского физика Ш. Бозе. Эти частицы участвуют в передаче взаимодействий между материальными частицами [4].
37 Массивные кварки возникают лишь на короткое время при столкновениях частиц высоких энергий, например, в космических лучах или в ускорителях частиц. В этом случае экспериментаторы ведут поиск не самой частицы, а продуктов её распада. Учёные показали, что более тяжёлые частицы участвуют в тех же взаимодействиях, что и обычные лёгкие стабильные частицы [10, 12].
38 Представление о «нецелочисленном», или дробном, заряде показалось физикам очень противоречивым, поскольку все электрические заряды кратны заряду электрона [2]. Р. Фейнман, поначалу скептически отнёсшийся к самой идее кварков, вскоре даже восхитился смелостью такого подхода: «Освободиться от предположения, что все заряды должны быть целочисленными, и при этом всё, что видишь, имеет целочисленный заряд - вот где нужно воображение» [19, с. 60].
39 В 1973 г. было показано, что в специальном классе квантовых теорий сила связи между кварками уменьшается, когда кварки сближаются (асимптотическая свобода). В асимптотическом пределе нулевого разделения кварки ведут себя как свободные частицы [4, 15, 20]. С увеличением расстояния силы взаимодействия между ними, передаваемые глюонами, не убывают [21]. Согласно квантовой хромодинамике мы не видим свободных кварков, потому что, по сути, «...кварки всегда связаны "атомной пружиной", которая удерживает их с силой в несколько тонн» [21, с. 99]. На ускорителе PETRA (Гамбург) наблюдали столкновения электронов и позитронов очень высоких энергий. «Их общая энергия в таком столкновении может материализоваться (согласно формуле E = mc2), превращаясь в пары частиц кварк-антикварк, которые резко расходятся, растягивая "атомную пружину". В конечном итоге множество возникающих при этом частиц разлетается в виде струй, ориентированных вдоль "пружины". Временами рождается глюон, который даёт начало третьей струе» [21, с. 99] (см. сноску 35). В середине 2000-х годов физики-теоретики ОИЯИ (Дубна) пришли к выводу, что «...при ловле кварков с большими энергиями надо быть осторожнее: на слишком высоких скоростях ионы пролетают друг мимо друга, не успев вступить во взаимодействие между собой» [22, с. 12]. Наиболее выгодная энергия столкновений, по сделанным ими расчётам, лежит в диапазоне 4 - 11 ГэВ на нуклон. Строящийся в настоящее время в Дубне ускорительный комплекс NICA (международный мегапроект) рассчитан как раз на такие энергии. «Когда новый коллайдер будет запущен (к 2020 г. - Прим. М. Т.), собственно свободных кварков он, конечно, не разглядит. Его детектор узнает об их существовании в свободном виде по аномалиям, которых природа обычно не допускает» [22, с. 13]. В ядерной реакции «...образуется необычайно плотная среда при высокой температуре, которая и может давать возможность кваркам высвобождаться на мгновения... Нарушение симметрии, например, различное число рождающихся положительно и отрицательно заряженных К-мезонов, может указывать на фазовые переходы в ядерной материи и деконфайнмент. Странное поведение или плато (пики) в энергетическом спектре каонов (см. сноску 18. - Прим. М. Т.) могут говорить о том, что образовалась смешанная фаза -состояние, когда ядерная материя существует одновременно с кварк-глюонной (см. сноску 40. - Прим. М. Т.) [22, с. 13]. На новом коллайдере учёные надеются получить такую смешанную фазу в области перехода от обычной материи к кварк-глюонной. Физикам предстоит создать сверхплотную барионную материю, сталкивая очень тяжёлые ионы: золота, свинца, урана. Предполагается, что подобная материя существует в коре нейтронных звёзд [23, с. 47].
40 Впервые плазму описал в 1879 г. английский физик и химик У. Крукс, назвав её «radiant matter» - «излучающей материей» [24]. Гипотезу о подобных удивительных объектах высказал в 1965 г. советский теоретик Д. Д. Иваненко (1904 - 1994 гг.) [5]. Вещество в состоянии плазмы состоит из свободных носителей заряда: электронов и ионов. Впервые кварк-глюонная плазма была получена в 2005 г. на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов RHIC (Ь|Пр://ехрегМгайег.ш/Ь|у-тпоетпа^а1ое151/Ппюоны) (к 2020 г. этот коллайдер будет перестроен на более низкие энергии) [22]. Такая плазма - самая горячая материя, которая когда-либо была создана на Земле, с температурой более чем триллион градусов по Цельсию (о холодной плазме см. [24]). Исследуя остывающую плазму, учёные получают более чёткую картину того, как эволюционировала Вселенная. Физики надеются также открыть секреты того, как склеиваются друг с другом кварки и глюоны [13].
41 Адроны могут состоять, например, из двух кварк-антикварковых пар - тетракварки (тетра - четыре) или из трёх кварков и одной кварк-антикварковой пары - пентакварки (пента - пять). Однако открытие подобных экзотических частиц затянулось. Пентакварк был обнаружен лишь в 2015 г. на Большом адроном коллайдере, а тетракварк - годом ранее [25]. В начале 2016 г. учёные сообщили об открытии нового вида тетракварка - Х(5568). Это первая из известных элементарных частиц, содержащая четыре кварка с различными квантовыми ароматами: верхний (u), нижний (d), странный (s) и прелестный (b) (рис. 5) (http://www/Interfax. ru/world/496332).
1е1гадиагк
Рис. 5. Строение тетракварка.
Схема Fermilab (http://www.symmetrymagazine.org/ article/fermilab-saentists-discover-new-four-flavor-palticle)
непрерывно рождаются и исчезают» [13, с. 78]. Кроме того возникают из небытия и почти сразу же пропадают глюоны-фантомы, создавая так называемую «квантовую пену», постоянно изменяющую «ландшафт» внутри протонов и нейтронов [13]. «Эта какофония усложняет решение ряда фундаментальных вопросов, скажем, каким образом кварки и глюоны могут объяснить массы и спины своих родительских частиц и как именно глюоны удерживают кварки в стабильных конфигурациях» [13, с. 80].
Кварки, лептоны и кванты полей (например, глюоны, W- и 7-бозоны) считаются фундаментальными частицами, однако имеется ряд доводов в пользу того, что они являются составными. Например, распад массивных кварков с образованием более лёгких означает наличие в первых неустойчивости составляющего их вещества [12]. В наше время физики отважились задать вопрос: «Что там внутри кварков?» [26]. Учёные предположили, что существует два вида более мелких частиц -преонов42, из которых состоят элементарные частицы. В результате ряда разумных предположений авторы «пре-онной» модели постулировали, что из преонов состоят все частицы Стандартной модели первого поколения. Из тех же строительных кирпичиков могут быть образованы и глюоны. Однако существуют и другие соображения и свидетельства, вступающие в противоречие с «преон-ной» гипотезой. Ответить на возникающие вопросы, возможно, помогут эксперименты на БАК [26].
Все непосредственные измерения, проведённые до сих пор, согласуются с гипотезой, что кварки и леп-тоны - точечные частицы (т. е. не имеющие структуры объекты микромира, размеры которых оценивают как <10-16 см) [27]. Однако теория струн предполагает, что обычная модель точечно-подобной частицы является приближением к более тонкому представлению, в котором каждая частица является крохотной вибрирующей нитью энергии, названной «струной» [9]. Всё богатство разновидностей частиц отражается различными типами колебаний струны. Струна в этой теории ведёт себя аналогично обычным струнам музыкальных инструментов, например, гитары. Вместо музыкальных тонов различные способы колебаний в теории струн соответствуют видам частиц. «Ключевая идея заключается в том, что разные способы колебаний струны дают определённую массу, определённый электрический заряд, определённый спин и т. д. - получается определённый список свойств, который отличает один тип частицы от другого... На ультрамикроскопическом уровне Вселенная будет сродни симфонии струн, вибрация которых приводит к существованию материи» [9, с. 352-353]. Из вибрирующих струн возникают не только частицы материи, но также и частицы-переносчики взаимодействий. Очень важно, что особый способ вибрации имеет свойства гравитона, частицы - переносчика гравитации [9].
Зарождение струнной теории43 восходит к 1968 г, когда молодого физика-теоретика Габриэле Венециано, работавшего в ядерной лаборатории в ЦЕРН, осенила блестящая догадка: экзотическая формула, открытая в XVIII в. Л. Эйлером (так называемая бета-функция Эйлера), видимо, может описать все многочисленные свойства частиц, участвующих в сильном ядерном взаимодействии. Однако формула требовала объяснения, так как никто не понимал, почему она работает. Только в 1970 г была определена ключевая характеристика, приводившая модель в действие, - вибрирующая струна [9, 28].
Активная разработка теории струн показала, что она «работает» только в особых измерениях44. Физики были в шоке: тогда как теории Ньютона и Эйнштейна могут быть сформулированы для любого числа измерений, струнная модель определяла количество измерений для себя. Для физического сообщества это было катастрофой [28].
Д. Шварц и Д. Шерк были среди тех немногих, кто продолжал работать над «струнной» теорией. Они совершили интеллектуальный прорыв: предположили, что область применения теории струн чрезмерно сужена физиками и объявили, что теория струн - это квантовая теория, которая, помимо всего прочего, включает в себя
42 Преоны одного вида имеют электрический заряд +1/3, второго - нейтральны. Кроме того, у частиц каждого из этих видов есть античастица с зарядом -1/3 и нуль, соответственно. Предполагается, что каждый кварк и лептон состоит из уникальной композиции трёх преонов [26].
43 История струнной теории очень необычна. Открытая случайно она была применена к решению не той проблемы и неожиданно возродилась, претендуя на то, чтобы стать теорией всего [27]. На долгом пути становления и развития этой теории были и успехи, и неудачи. В данной короткой статье мы остановимся только на ключевых моментах.
44 Предположение о действительном существовании дополнительных измерений в природе, а не только в чистой математике, привело физиков к необходимости принять, что они свёрнуты (компактифицированы) в крошечные шарики размером меньше атома - слишком маленькие, чтобы их можно было наблюдать в ходе эксперимента [28].
теорию гравитации Эйнштейна! Гравитационные силы должны микроскопически переноситься гравитонами45 -квантами гравитационного поля. Однако результаты, опубликованные Шварцем и Шерком в 1974 г, были проигнорированы, чему способствовало ещё и то, что эти учёные обнаружили: для описания как гравитации, так и субатомного мира струны должны иметь длину всего 10-33 см (длина Планка). Большинство физиков не могли это принять [28].
Сдержанное отношение физического сообщества к работе Шварца и Шерка продолжалось до 1984 г. Поворотную роль сыграла статья Б. Грина и А. Шварца, в которой они показали, что струнная теория лишена тех противоречий и аномалий, которые заставили учёных отбросить так много вариантов. Они также установили, что усовершенствованная теория обладает достаточной широтой, чтобы охватить все четыре вида взаимодействий и все виды материи [9] Проблемы аномалий были решены Грином и Шварцем, когда они на самом деле работали в теории суперструн, которая появилась примерно десятью годами раньше после открытой физиками (П. Рамон и др. 46) связи между целыми и полуцелыми значениями спина, которую назвали «суперсимметрией47 (отсюда - теория суперструн) [9].
С помощью теории суперструн удалось преодолеть многие препятствия на пути к построению логически не противоречивой теории квантовой гравитации. Дальнейшие работы физиков-теоретиков привели к М-тео-рии, целью которой является объединение фундаментальных взаимодействий [5, 12].
Таким образом, физики выдвигают разумные гипотезы о той области реальности, которую надеются понять. Главный вопрос - каковы самые основные составляющие материи и как они соединяются в одно целое. Их изучение позволит нам узнать что-то о принципах, на которых всё построено [7, 20].
Продолжение следует
Список литературы
1. Долгошеин, Б. Ещё одно ожидаемое открытие? Эврика: найден самый тяжёлый «карапуз»! / Б. Долгошеин // Наука и жизнь. - 1994. - № 8. - С. 62-64.
2. Турбина, М. И. Страсти по бозону Хиггса. Часть 1 / М. Турбина // Наука и техника в Якутии. -2015. - № 2 (29). - С. 97-102.
3. Фейнман, Р. КЭД - странная теория света и вещества / Р. Фейнман ; пер. с англ. - М. : Астрель: Полиграфиздат, 2012. - 191 с.
4. Бэгготт, Д. Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога» /Д. Бэгготт; пер. с англ. Т. М. Шуликовой ; [предисл. С. Вайнберга]. - М. : ЗАО Издательство Центрполиграф, 2014. - 255 с.
5. Фейгин, О. Парадоксы квантового мира / О. Фей-гин. - Эксмо, 2012. - 288 с. - (Тайны мироздания).
6. Новый энциклопедический словарь. - М. : Большая Российская энциклопедия РИПОЛ классик, 2005. -1456 с.
7. Глэшоу, Ш. Очарование физики / Ш. Глэшоу; пер. с англ. - Ижевск : НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002. - 336 с.
8. Гоудинкин, А. Есть вопросы про протон / А. Гру-динкин // Знание - сила. - 2015. - № 5. - С. 53-59.
9. Грин, Б. Ткань космоса: Пространство, время и текстура реальности / Б. Грин ; пер с англ. ; [под ред. В. О. Малышенко и А. Д. Панова]. - 3-е изд., испр. - М. : Книжный дом «Либроком», 2011. - 608 с.
10. Рэндалл, Л. Закрученные пассажи : проникая в тайны скрытых размерностей пространства / Л. Рэндалл ; пер. с англ. [науч. ред. И. П. Волобуев]. -М. : УРСС. Книжный дом «Либроком», 2011. - 400 с.
11. http://expert.ru/russian_reporter/2012/02/kak-otkryivali-chastitsyi/.
12. http://traditio.wiki/Кварк/.
13. Венугопалан, Р. Клей, на котором держится мир / Р. Венугопалан, Т. Ульрих, Р. Энт // В мире науки. - 2015. — № 7. - С. 76-85.
14. Лозовская, Е. «Лоб в лоб» со скоростью света / Е. Лозовская // Наука и жизнь. - 2008. - № 8. - С. 82-84.
15. Пенроуз, Р. Путь к реальности, или законы, управляющие Вселенной. Полный путеводитель / Р. Пенроуз ; пер. с англ. - М. ; Ижевск : Институт компьютерных исследований, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2007. - 912 с.
16. Ройзен, И. Нобелевская асимметрия /И. Рой-зен // Наука и жизнь. - 2008. - № 12. - С. 6-9.
17. Розенталь, И. Л. Геометрия, динамика, Вселенная / И. Л. Розенталь. - М. : Наука, 1987. - 144 с. -(Серия «Планета Земля и Вселенная»).
45 «Если мы подсчитаем взаимодействия этих гравитонов, то в точности получим старую добрую теорию гравитации Эйнштейна в квантовом виде» [28, с. 225]. Таким образом, оказалось, что уравнения Эйнштейна нельзя считать фундаментальными, если их можно вывести из теории струн [28].
46 На самом деле, первыми открыли суперсимметрию советские физики Ю. А. Гольфанд (1922 - 1994 гг.) и Е. П. Лихтман (г. р. 1946) тоже в начале 1970-х годов [29]. Однако коллеги-физики проигнорировали их работу. Для переоценки вклада этих учёных в теоретическую физику потребовалось стремительное развитие теории суперсимметрии за рубежом (10; www.strf.ru/material.aspx).
47 Найденная симметрия предполагает, что каждая частица-бозон имеет в качестве партнёра частицу-фермион (так называемого суперпартнёра) и наоборот. «Но поскольку все субатомные частицы являются либо фермионами, либо бозонами, то в теории суперсимметрии содержится потенциал объединения всех известных субатомных частиц одной простой симметрией» [28, с. 232]. Согласно этой теории все уравнения должны оставаться неизменными, если мы поменяем положение всех частиц относительно друг друга. В самой мощной версии теории - естественной суперсимметрии - суперпартнёры не должны быть намного тяжелее бозона Хиггса. Однако в 2012 г. группа «Бритва» в ходе проведённого цикла экспериментов на БАК суперпартнёров не обнаружила [30]. Физики предполагают, что суперсимметрия была нарушена, в результате чего массы суперчастиц оказались огромными, и они находятся вне пределов досягаемости современных ускорителей частиц. Но в настоящее время никто ещё не предложил правдоподобного механизма для нарушения суперсимметрии [28].
18. Кривощёков, В. Кварки - новая глава саги о микромире /В. Кривощёков // Техника - молодёжи. - 1978. -№ 1. - С. 36-42.
19. Млодинов, Л. Радуга Фейнмана. Поиск красоты в физике и в жизни / Л. Млодинов ; пер. с англ. Шаши Мартыновой. - Livebook Publishing LTD, 2014. - 113 с.
20. Вайнберг, С. Первые три минуты : современный взгляд на происхождение Вселенной / С. Вайнберг ; пер. с англ. А. В. Беркова. - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000. - 272 с.
21. Редже, Т. Этюды о Вселенной / Т. Редже ; пер. с итал.; [под ред. Б. Понтекорво]. - М.: Мир, 1985. - 145 с.
22. Покровский, В. Три кварка, три кварка, три кварка! / В. Покровский // В мире науки. - 2016. - № 3. -С. 11-13.
23. Платицина, О. Сотворение сущего: коллай-дер НИКА смоделирует процесс рождения материи / О. Платицина // В мире науки. - 2015. - № 2. - С. 44-51.
24. Волков, А. Гзрячий интерес к холодной плазме / А. Волков // Знание - сила. - 2015. - № 10. - С. 4-11.
25. Петров, В. Пентакварки / В. Петров // Наука и жизнь. - 2016. - № 3. - С. 20-24.
26. Линкольн, Д. Внутренняя жизнь кварков / Д. Линкольн // В мире науки. - 2013. - № 1. - С. 14-22.
27. Мухин, К. Н. Привлекательный мир микрофизики / К. Н. Мухин // Наука и жизнь. - 2016. - № 1. -С. 66-77.
28. Каку, М. Параллельные миры : об устройстве мироздания, высших измерениях и будущем Космоса / М. Каку; пер. с англ. - М. : ООО Издательство «София», 2008. - 416 с.
29. Волобуев, И. П. Предисловие научного редактора / И. П. Волобуев // Закрученные пассажи : проникая в тайны скрытых размерностей пространства / Л. Рэндалл; пер. с англ. [науч. ред. И. П. Волобуев]. -М. : УРСС. Книжный дом «Либроком», 2011. - 400 с.
30. Ликкен, Д. Суперсимметрия и кризис в физике / Д. Ликкен, М. Спиропулу // В мире науки. - 2014. -№ 7-8. - С. 22-29.
шът jQpmr
Идигирцы - есть такое племя / кол. авторов, сост. П. М. Полянский. -Усть-Нера, 2016. - 475 с. : ил.
В сборнике кратко охарактеризован 75-летний трудовой путь коллектива геологоразведчиков, осуществлявших геологическое изучение, поиски и разведку месторождений благородных и редких металлов и других полезных ископаемых на территории бассейна верхнего течения реки Индигирки.
На основе воспоминаний ветеранов-геологов, архивных документов Верхне-Инди-гирской геологоразведочной экспедиции, кратких биографических справок исследователей региона, поэтических этюдов, обширного фотоиллюстративного материала показано, как в неимоверно сложных условиях Полюса холода Северного полушария Земли, в предвоенные и военные годы (1937 - 1944 гг.) была сформирована минерально-сырьевая база крупного горнодобывающего предприятия, а затем на протяжении десятилетий продолжала расширяться и укрепляться основа горнодобывающей промышленности района, успешно функционирующая до настоящего времени.
Махаров, Е. М. Современность и национальным вопрос / Е. М. Маха-ров. - Саарбрюккен, Германия : Palmarium Academic Publishing, 2015. - 188 с.
В монографии рассматриваются основные черты современной эпохи, на основе чего анализируется феномен актуализации национального вопроса; проводится разграничение понятий нация, этнос, национальные отношения, российская нация, национальная идентичность, национальный язык. Всё это исследуется в рамках духовной ситуации времени. В работе большое место занимает проблема модернизации России; предлагается для России выработка своей цивилизационной модели развития; обосновывается положение о том, что в стране решение национальных проблем во многом зависит от переосмысления и пересмотра отдельных стратегических положений государственной политики в плане формирования в будущем российской цивилизации.
Издание предназначено для философов, социологов, политологов, культурологов,
а также для всех интересующихся духовными и социальными проблемами.
%
Егор Шхайлович Маха ров
Современность и национальный вопрос
Монография
