Кто вы, г-н трехцветный? Наталия Теряева Шесть кварков, шесть лептонов, шесть частиц-переносчиков взаимодействия – вот полный набор - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Трунгпа Ринпоче. Шесть сфер. Поглощенность собой Шесть сфер, шесть... 1 180.02kb.
Четвертый тур (условия задач) 2 – 3 классы 127 1 32.99kb.
Шесть Шляп Мышления «Шесть Шляп Мышления» 1 57.68kb.
Сценарий «Шесть свечей шесть миллионов жизней» 1 132.5kb.
Лот № в-13. 10. 13 «Оборудование систем автоматики и телемеханики» 1 18.27kb.
Ади Шанкарачарья Шесть строф о нирване 1 24.3kb.
Православный: Поэтому мы можем с благоговееньем заключить: у кошки... 1 43.64kb.
Пит Панде, Ларри Холп Что такое «шесть сигм»? 1 174.38kb.
Методическое пособие для изучающих курс Курс «Введение в библеистику» 1 155.26kb.
Стартует первый круиз «Шесть курортных столиц Черного моря». 1 71.12kb.
А исполняющий волю Божию пребывает вовек 1 115.33kb.
Международная научная конференция ‘’Проблемы кибернетики и информатики‘’... 1 40.14kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

Кто вы, г-н трехцветный? Наталия Теряева Шесть кварков, шесть лептонов, шесть частиц-переносчиков - страница №1/1



Кто вы, г-н трехцветный?

Наталия Теряева

Шесть кварков, шесть лептонов, шесть частиц-переносчиков взаимодействия – вот полный набор «кирпичиков», из которых состоит вся материя нашего мира. Так утверждает Стандартная модель, получившая с экспериментальным обнаружением бозона Хиггса (см. ТМ №2 за 2012 г.) решающее подтверждение. Но сами кварки – так ли они просты? Что они, собственно, собой представляют? Физики строят новые теоретические модели и новые экспериментальные установки, которые могут приблизить нас к ответам на эти вопросы.

Ровно сорок лет назад, в сентябре 1972 года на Рочестерской конференции по физике высоких энергий в Чикаго, явилась миру новая область физики – квантовая хромодинамика. Эта наука изучает структуру и поведение элементарных частиц, самые элементарные из которых – кварки и глюоны. Благодаря свойствам кварков различаться по цвету (красный, синий, зеленый) наука о динамике элементарных частиц получила приставку «хромо» от греческого слова chroma – цвет. Наделили цветом кварки и вывели их в мир реальных частиц советские физики школы академика Николая Боголюбова.

То, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, было открыто в тридцатые годы прошлого века. Тогда же возникла необходимость объяснить устойчивость атомного ядра. Детальное изучение природы ядерных взаимодействий между протонами и нейтронами приобрело государственной значение и диктовалось необходимостью развития ядерной энергетики – как в мирных, так и в военных целях. Поэтому перед физиками встала жизненно важная задача разгадать тайну ядерных сил.

К началу 60-х годов выяснилось, что в ядерных взаимодействиях участвует несколько сотен разных частиц, число которых росло с усовершенствованием экспериментальных возможностей. Такое количество частиц создало непреодолимые трудности в объяснении природы ядерных сил. Поворотным пунктом в 1964 году стала гипотеза американцев Гелл-Манна и Цвейга о том, что протоны, нейтроны и все открытые к тому времени частицы, участвующие в ядерных взаимодействиях, не являются элементарными, а состоят из более фундаментальных составляющих, названных кварками. Кварковая модель частиц позволила вместо изучения свойств сотен частиц рассмотреть свойства всего лишь нескольких типов кварков и на их основе классифицировать все частицы.

В середине второй половины ХХ века в связи с мощным прогрессом ускорительной техники были достигнуты энергии пучков частиц, позволявшие рождать во взаимодействии новые частицы, – вспоминает об эпохе, создавшей теорию кварков один из родоначальников этой теории, директор Объединенного института ядерных исследований академик РАН Виктор Матвеев. – Было открыто много новых частиц, и возникла проблема их классификации, упорядочения. Теоретики мечтали создать систему, которая позволила бы описать известные частицы и предсказать свойства новых, еще более интересных, требующих для их обнаружения еще больших энергий. И стало ясно, что какие-то из этих частиц должны играть роль фундаментальных, первичных, а остальные являются их композитными состояниями. В своих работах 1964 года Гелл-Манн и Цвейг независимо друг от друга предположили существование гипотетических частиц, названных кварками, которых достаточно было иметь всего три типа, чтобы из них составить все остальные частицы. Одного только не хватало – они должны были иметь дробный заряд, но это трудно было себе представить потому, что все верили: электрический заряд должен быть кратен заряду электрона, то есть может быть только целым числом. Поэтому кварки считались псевдочастицами. Их сравнивали даже с карточной игрой – компоновка протонов и нейтронов из кварков, как разложение пасьянса. И даже известный физик Абдус Салам, рассказывая об этих идеях в телевизионных программах для широкой публики, показывал, держа в руках колоду карт, как из этих частиц можно складывать пасьянс для того или иного семейства элементарных частиц.



На самом деле карточная аналогия была предложена одним из отцов кварков американским физиком Джорджем Цвейгом. Он считал, что фундаментальных псевдочастиц должно быть четыре, как карточных мастей, и назвал их тузами. Идея назвать кварком гипотетическую частицу с дробным зарядом пришла в голову другому из двух прародителей кварков – американскому физику Мюррею Гелл-Манну, увлекавшемуся лингвистикой. Его соображения о том, что протон и нейтрон должны состоять из трех гипотетических частиц каким-то образом сошлись во времени с фразой «Три кварка для короля Марка!» из экстравагантного произведения Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Джойсовы кварки для короля так и остались тайной для читателей. Но физика Гелл-Манна они натолкнули на мысль назвать кварками еще не открытые человеку природой гипотетические фундаментальные частицы с дробным зарядом.

– Как-то я позвонил из Америки моему учителю Вики Вайскопфу, который тогда был генеральным директором CERN, – рассказывал не так давно на своей лекции в Дубне, в Объединенном институте ядерных исследований Мюррей Гелл-Манн. – Мы говорили о проблемах, связанных со строительством нового большого ускорителя. А потом, продолжая разговор, я сказал: «Кстати, все очень хорошо получается, если считать, что протон и нейтрон состоят из трех частей – я назвал их кварками». На что Вайскопф ответил: «Мюррей, это трансатлантический звонок. Он стоит денег».

Однако, яркая модель Гелл-Манна и Цвейга, считавшая кварки сугубо математическими объектами, содержала внутреннее противоречие. Она относила кварки к определенному классу частиц и при этом допускала возможность пребывания трех кварков в одном и том же состоянии. А фундаментальный принцип Паули не позволял даже двум частицам этого класса одновременно находиться в одном и том же состоянии. Кроме того, в модели Гелл-Манна и Цвейга не рассматривался вопрос о динамике – о силах, которые удерживают кварки внутри протона и не дают им вырваться оттуда.

Вывести кварковую модель из тупика помогли физики из Дубны – академик Николай Боголюбов и его ученики: Борис Струминский и Альберт Тавхелидзе. Они наделили кварки новым качеством - фундаментальным квантовым числом, которое Мюррей Гелл-Манн впоследствии назвал цветом. Цвет кварков словно оживил сказку, превратив умозрительные псевдочастицы в реальные физические объекты. Вот как описал рождение судьбоносной для кварков идеи академик Альберт Тавхелидзе:

Осенью 1964 года на Рочестерской конференции в Дубне профессор Абдус Салам сделал доклад о кварковой модели Гелл-Манна и Цвейга. Обсуждая со мной этот доклад во время прогулки, Николай Николаевич Боголюбов в задумчивости вдруг произнес: «Знаете, Альберт Никифорович, все же кварки – не математические, а реальные физические объекты». Это и был исходный пункт нашей работы по изучению кварков, приведшей в результате к открытию нового квантового числа – цвета. Возникла идея о том, что кварки обладают дополнительным свойством: любой кварк может находиться в трех возможных цветовых состояниях – красном, синем и зеленом. Более того, в нашей классификации цветовая симметрия входящих кварков выбиралась таковой, что все составленные из них наблюдаемые частицы были бесцветны.

Примечательно, что сами протоны и нейтроны не обладают «цветовым» квантовым числом, являясь бесцветными (то есть белыми). Поэтому, название этого квантового числа «цветом» дало удобный физический образ, отражающий возможность получения бесцветных объектов из цветных с помощью комбинации трех разных основных цветов – красного, синего и зеленого. Квантовое число «цвет» играет роль особого – цветового заряда, который и создает силовые хромодинамические поля. Именно эти поля управляют движением, происходящим внутри протонов и нейтронов, из которых состоят атомные ядра. Хромодинамические силы по аналогии с молекулярными силами обеспечивают устойчивость атомных ядер и служат базисом современной теории ядерных взаимодействий, приведшей к созданию ядерной энергетики.

В своей работе Н.Боголюбов, Б.Струминский и А.Тавхелидзе предложили динамическую модель, предсказавшую парадоксальное свойство взаимодействия между кварками: внутри протона они находились в квазисвободном состоянии, а “вытащить” их из протона было невозможно. И сегодня всем известно, что кварки находятся в “вечном заключении” в ядерных частицах, словно склеенные внутри протонов и нейтронов глюонами.

И тут, как это часто случалось в истории науки и техники, «мы» вступили в соревнование с «ними». В начале 1965 года, независимо от советских физиков, идею цветных кварков высказали американцы Йоитиро Намбу и Му Юнг Хан. В мае 1965 года на международной конференции в Триесте Альберт Тавхелидзе доложил об исследованиях, выполненных в Лаборатории теоретической физики ОИЯИ. Тогда многие поняли, что дополнительное квантовое число спасает ситуацию, и кварки могут проявляться в экспериментах как реальные физические объекты. Осенью того же года, выступая на конференции в США, Й.Намбу показал, что квантовое число «цвет» может играть роль цветового заряда, который создает вокруг себя хромодинамическое силовое поле, осуществляющее взаимодействие между кварками и являющееся прообразом современных глюонов, “склеивающих” кварки в составных ядерных частицах. Важным этапом обоснования динамической модели кварков явилось доказательство локальной природы кварковых сил, данное Н.Боголюбовым, В.Владимировым, А.Тавхелидзе. На этой основе В. Матвеев, Р.Мурадян и А.Тавхелидзе получили правило кваркового счета, блестящее подтвержденное экспериментально. Однако модель сильных взаимодействий получила в квантовой хромодинамике имя Хана-Намбу, а не Боголюбова-Струминского-Тавхелидзе. Впрочем, нам не привыкать – ведь и таблицу химических элементов на Западе не называют именем Менделеева. Просто – таблица элементов и все.



В апреле нынешнего года в Палезо (пригороде Парижа), в Политехнической школе, сорокалетие квантовой хромодинамики отметили международной конференцией «Кварки и ядра-2012», уже шестой по счету. Первые пять конференций этой серии прошли как-то не очень заметно даже для известных специалистов, всю жизнь работающих в этой науке.

– До того как заняться организацией этой конференции, я даже не знал, о том, что она уже не первая, узнал случайно, – улыбается Бернар Пир, вице-председатель оргкомитета, руководитель группы физики частиц Центра теоретической физики Политехнической школы.

Двести пятьдесят участников конференции «Кварки и ядра-2012» продемонстрировали тематикой своих докладов, что область теоретических и экспериментальных исследований кварков за 40 лет развития квантовой хромодинамики расширилась от элементарных частиц ни много, ни мало до масштаба ранней Вселенной. Потому что в самые первые секунды ее жизни после Большого взрыва кварки и глюоны существовали в свободном состоянии, еще не скованные цепями сильными взаимодействий внутри элементов ядер – протонов и нейтронов.

– Если существование кварков объясняет само наличие ядерных сил, то надо понять, какова в них роль кварков, – поясняет выбор названия для международных конференций «Кварки и ядра» академик Виктор Матвеев. – Ядра химических элементов являются относительно слабо связанными системами протонов и нейтронов. Тем не менее, когда мы изучаем глубинную структуру ядер, например, когда рассматривается процесс, происходящий при столкновении ядер, при бомбардировке ядер протонами или электронами очень больших энергий, индивидуальная роль отдельных протонов и нейтронов теряется, и должны проявляться более глубинные степени свободы – кварки. Но построить более детальную теорию ядерных сил, опираясь только на представления о кварках, оказалось делом непростым. Язык кварков позволяет очень точно и очень просто объяснять процессы, протекающие на малых расстояниях. Так называемое явление асимптотической свободы проявляется в том, что чем ближе кварки друг к другу, тем меньше ядерное взаимодействие между ними. Попытка же разнести их на большие расстояния приводит к силам, которые не уменьшаются с расстоянием. В этом – необычное для нас отличие хромодинамических сил от электродинамических: в электродинамике чем дальше мы разнесем заряды, тем меньше между ними силы взаимодействия. Из-за того, что взаимодействие между кварками так сильно, трудно построить целостную теорию ядра.



Можно ли предсказать пути дальнейшего развития квантовой хромодинамики?

– Теоретики развивают методы исследования свойств ядерного взаимодействия. Особенно это важно, когда мы пытаемся изучить поведение кварк-глюонной материи, которая, как мы верим, существовала в первые моменты рождения нашей Вселенной после Большого взрыва. Строятся крупные научные комплексы, коллайдеры тяжелых ионов высоких энергий для того, чтобы попытаться исследовать эти явления, происходящие в условиях, когда плотности барионной материи, плотности кварков, глюонов настолько велики, что возникают критические фазовые переходы, помогающие лучше понять процесс образования адронов из кварков при расширении этой материи. Одновременно развивается представление о фундаментальных составляющих материи более глубинного уровня. Размеры кварков и лептонов как точечных образований пока не нащупаны в экспериментах, хотя рано или поздно эти структуры в экспериментах определятся. Тем не менее, возникли представления о частицах как струнах. Это хотя и локальные, но достаточно протяженные объекты. Струна вбирает в себя огромное множество степеней свободы. Это очень сложный, нетривиальный объект, сочетающий одновременно множество разных характеристик. Поэтому, может быть, при движении в этом направлении будут найдены ответы на многие вопросы. Перед нами еще огромное поле неизведанного.



Получается, что для исследования кварков более пригодны ускорители не протонов и электронов, а тяжелых ионов?

– Поскольку кварки заключены внутри адронов (протонов и нейтронов), и оттуда их трудно вырвать, через взаимодействия адронов мы получаем лишь косвенное понимание их свойств. При скоплении ядер отдельные протоны и нейтроны теряются, и возникает ядерная материя, состоящая из кварков и глюонов. Там нет привязки отдельного набора кварков и глюонов к определенным адронам. Возникает своеобразный суп – квантовая жидкость или квантовый газ, состоящий их цветных объектов – кварков и глюонов. Поведение этой адронной материи в экстремальных условиях может нам дать новые знания о физике кварков и глюонов. Теоретики предсказывают наличие фазовых переходов, глубинной перестройки ядерной материи. Все это хотят увидеть в реальных экспериментах. Поэтому строятся такие уникальные научные комплексы как сверхпроводящий коллайдер NICA для столкновения тяжелых ионов. Это у нас, в Дубне. Причем одного такого комплекса недостаточно. Эксперименты с тяжелыми ионами проводятся в ЦЕРНе, в Брукхейвене, начинает создаваться такой же комплекс в Дармштадте. Все понимают: для того чтобы получить ответ на наш вопрос, необходимо соединение знаний из различных экспериментов, различных центров. Только все вместе они позволяют получить ту полноту экспериментального знания, которое нужно для понимания физики кварков.



Опубликовано в журнале «Техника – молодежи» №10, 2012 г.






Ничто так благотворно не влияет на вашу внешность, как фото в газете над вашим некрологом.
ещё >>