50 лет кваркам

В 1964 году два физика независимо предложили гипотезу существования субатомных частиц под названием “кварки”.

Физики Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо работали над теорией симметрии в сильных взаимодействиях в физике элементарных частиц. Они предложили объяснение свойств сильновзаимодействующих частиц – адронов – с помощью гипотезы составных частиц.

В 1961 году Гелл-Манн предложил схему симметрии, которую он назвал “восьмеричный путь”, которая основывалась на математической группе SU(3). В этой схеме (за которую он получил Нобелевскую премию по физике в 1969 году) адроны разделялись на две основные группы, в каком-то смысле похожим образом, как Периодическая система Менделеева классифицирует химические элементы.

Мюррей Гелл-Манн, фото середины 1990-ых.Гелл-Манн развил эту модель и смог успешно описать – помимо других вещей – магнитные свойства протонов и нейтронов. Но модель Гелл-Манна предполагала существование трех новых элементарных частиц, которые он назвал “кварки”.

К концу 1963-го Гелл-Манн написал короткую статью об этой идее и отправил ее в Physics Letters, где ее получили 4-го января 1964-го года и опубликовали 1-го февраля. Статья под названием “Схематическая модель барионов и мезонов” объясняла, как различные комбинации трех частиц в триплете может образовывать барионы (такие как протон и нейтрон), тогда как две частицы из триплета могут образовывать мезон (самый известный пример – пи-мезон или пион). Чтобы описать известные электрические заряды, необходима четвертая частица, как отмечает Гелл-Манн. Но “более простая и элегантная схема может быть построена в предположении дробных значений зарядов”, – добавляет он. Далее он дает название членам триплета – “кварки”.

Гелл-Манн вспоминает, что сначала ему пришло в голову название “кворк”, но впоследствии наткнулся на фразу “Three quarks for Muster Mark” в “Поминках по Финнегану” Джеймса Джойса. Поскольку Джойс, по-видимому, хотел, чтобы это слово рифмовалось с “Mark”, то люди и стали произносить это слово именно так.

Примерно в то же время физик Джордж Цвейг работал над похожими идеями. Только он называл свои частицы “тузы”. Джорд Цвейг внес свой вклад в эту область во время посещения ЦЕРНа, опубликовав статью 17 января 1964 года, в которой он предложил следующее: “Как мезоны, так и барионы состоят из набора трех фундаментальных частиц под названием “тузы”". Закончив аспирантуру в Калтехе в 1963-ем, Цвейг провел 1963-1964 годы в ЦЕРНе, где он написал работу под названием “SU3 модель симметрии сильных взаимодействий и ее нарушения” (опубликована 17 января 1964 года) и ее продолжение (опубликована 21 февраля 1964 года). Однако, ЦЕРН требовал, чтобы работы, написанные молодыми сотрудниками теоретической группы, были одобрены перед публикацией. Более того, Цвейг планировал опубликовать работу в Physical Review, но ЦЕРН потребовал, чтобы работа была опубликована в европейском журнале. Поэтому широкое признание его работы произошло значительно позже. В 1964 году Цвейг вернулся в Калтех, где работал профессором в группе физики высоких энергий на протяжении 20 лет.

В сентябре прошлого года Джордж Цвейг посетил ЦЕРН для участия в коллоквиуме под названием “Реальные кварки; начало конца”. В своем докладе Цвейг рассказал о том пути, который привел его к гипотезе “тузов”, а также дал обзор основных достижений в этой области, произошедших в последующие годы. После работы в области физики высоких энергий Цвейг перешел в совершенно другую область – нейробиологию, – сначала проводя эксперименты по отображению звука в коре головного мозга кошек, а затем перейдя к проблеме характеристик кохлеарной механики.

Джордж Цвейг во время посещения ЦЕРНа в сентябре прошлого годаКак кварки Гелл-Манна, так и “тузы” Цвейга должны иметь электрические заряды, равные 1/3 или 2/3 от заряда электрона или протона, что предполагает возможность экспериментального нахождения таких дробных зарядов и, таким образом, открыть, существуют ли они на самом деле.

В 1968 году серия экспериментов по электрон-протонным рассеяниям коллаборацией MIT-SLAC в Национальной ускорительной лаборатории SLAC открыла наличие внутренней структуры у нуклонов. В эксперименте пучок электронов рассеивался на протонах, при этом угловые распределения дали картину, которая должна была возникать, если бы внутри протона были точечные частицы. В последующие годы эти результаты были объединены с результатами других экспериментов, таких как рассеяние нейтрино в пузырьковой камере Гаргамелль в ЦЕРНе, и стало понятно, что эти элементарные частицы действительно имеют заряд 1/3 и 2/3.

В следующие десятилетия были обнаружены частицы, которые, как оказалось, было невозможно построить только из u, d и s кварков, так что их семейство пополнилось. Сегодня диаграмма кварков состоит из трех пар: u и d, s и c, b и t. Четвертая пара могла бы быть названа “высокий” и “низкий”, но большинство наблюдений показывает, что других наборов кварков не существует. Кварки сейчас – ключевая часть Стандартной Модели. Эксперимент АЛИСА так же, как и другие многочисленные эксперименты в ЦЕРНе, изучает свойства частиц Гелл-Манна и Цвейга с всё улучшающейся точностью.

Перевод статьи из ALICE Matters.

This entry was posted in Наука. Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>