В настоящее время физики уверены в том, что они знают, из чего состоит материя. Горстка строительных блоков может быть легко сведена в аккуратную маленькую таблицу.
Но всего полвека назад ситуация была не столь понятной. В 1950-е годы, атомы при сокрушительных ударах в ускорителях испустили десятки ранее неизвестных элементарных частиц . Некоторые физики жаловались, что было бы легче обучиться ботанической номенклатуре, чем запоминать все новые имена частиц. И им казалось странным, что природа обладает таким разнообразием частиц, хотя протонов, нейтронов и электронов вполне достаточно, чтобы произвести все обычное вещество.
И вот, 50 лет назад, 1 февраля, в журнале Physics Letters появился доклад Мюррея Гелл-Мана, который сообщил миру о концепции кварков. Это навело порядок в субатомной области.
"У нас был список частиц, которые были все якобы элементарными, а идея была выяснить, как они взаимодействовали", - впоминал Гелл-Манн в интервью 1997 года. Никто не знал, что за "клей" удерживает протоны и нейтроны вместе
Многие физики полагали, что новые частицы не могли все быть элементарными. Некоторые из них должны были составлять коллаж из более мелких компонентов . Популярная идея "ядерного эгалитаризма" гласила, что ни одна из частиц не является основным строительным материалом.
Размышляя над этой идеей, Гелл-Манн построил таблицу частиц, наподобие периодической таблицы химических элементов. В 1961 году он показал, что частицы могут быть сгруппированы определенным образом; пробелы в таблице предполагали существование еще не открытых частиц, которые и в самом деле вскоре появляются в экспериментах со свойствами, прогнозируемыми Гелл-Манном.
В начале 1963 года Гелл-Манн читает лекции по этому вопросу в Массачусетском технологическом институте. Он отмечает, что сильно взаимодействующие частицы могут быть сформированы путем объединения трех частиц. Но вот вопрос: эти три частицы будут иметь электрические заряды, которые будут дробной частью заряда электрона. Таких частиц никогда не обнаруживали в природе.
Но простая схема может быть построена, если мы позволим нецелочисленные значения для заряда.
"Я проигнорировал возможность существования дробного заряда - это казалось сумасшедшей идеей", - сказал Гелл-Манн.
Затем в марте 1963 года, Гелл-Манн посетил Колумбийский университет в Нью-Йорке , где в один прекрасный день он столкнулся с физиком Робертом Сербером в клубе факультета. Сербер спросил Гелл-Манна, почему он не допускает эту тройку сильно взаимодействующих частиц.
Гелл-Манн нарисовал на салфетке уравнение, показывающее, что заряд будет дробным и вопрос вроде бы был исчерпан.
Но вопрос Сербера задел Гелл-Манна. На следующий день он решил, что возможно, триплет частиц существует. Что, если частицы триплета всегда находятся как бы в ловушке внутри частиц и не могут их покинуть? Это бы объяснило, почему в экспериментах никогда не наблюдались частицы с дробным зарядом.
В конце 1963 года Гелл-Манн написал краткую заметку на основе этой идеи и послал ее в журнал Physics Letters, где она была опубликованна 1 февраля. Статья называлась "Принципиальная модель барионов и мезонов" и объясняла, как различные комбинации трех частиц могут производить барионы (например, протоны и нейтроны) , в то время как комбинация двух частиц может образовать мезон (самый известный пример в настоящее время - пи мезон, или пион). "Для поддержания величины стандартного электрического заряда требуется четвертая частица", писал Гелл-Манн. "Но если мы позволим дробные значения для заряда, схема становится простой и элегантной. Назовем членов этой тройки "кварками".
Гелл-Манн взял название "кварк" из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», в котором один из героев произносит: «Три кварка для мистера Марка». Ему понравилось это слово и он решил, что его уместно использовать, поскольку барионы состоят из трех частиц.
В своей работе , он обозначил три кварка как U, D и S - позже названными Up, Down и Strange (верхний, нижний и странный). Протоны и нейтроны состоят только из Up и Down (протон из двух Up и одного Down, нейтрон наоборот - одного Up и двух Down) . Многие из вновь открытых частиц , с их странными свойствами, состоят из кварков в разных комбинациях.
Примерно в то же время другой физик Джордж Цвейг работал над подобными проектами. Он назвал свои частицы "тузами". Однако его статья в то время не была опубликована, а затем он оставил физику и начал заниматься биологией. Цвейг был студентом Гелл-Манна в Калифорнийском технологическом институте, но во время лекции Гелл-Манна в Массачусетском технологическом институте Цвейг уже работал в лаборатории ЦЕРН в Женеве. Они не знали, что работают над одной и той же проблемой.
Гелл-Манн однажды рассказал, что осенью 1963 года он пытался объяснить свою идею директору ЦЕРНа Виктору Вайскопфу по телефону. Когда он упомянул дробный заряд, Вайскопф ответил: "Пожалуйста, Мюррей, серьезнее, это же международный звонок".
Сначала с кварками было много путаницы - реальные ли это частицы или просто математическое удобство для классификации других частиц. Гелл-Манн сказал, что всегда подозревал их реальное существование, но он сам поспособствовал этой путанице. Он предполагал, что кварки находятся в ловушке внутри других частиц, и, вероятно, не могут быть наблюдаемы. Так отдельные частицы вне нуклонов он называл "реальные кварки", а те, что были внутри частиц - "математические" или "фиктивные".
Прошло несколько лет , прежде чем идея кварков прижилась. В конце 1960-х годов эксперименты на Стэнфордском ускорителе частиц показали, что протоны содержат какую-то более основную частицу.
В последующие десятилетия появились новые частицы, которые не могли быть построены из Up, Down и Strange кварков, так что семья была расширена. Сегодня в таблице кварков перечислены три пары: Up и Down (верхний и нижний), Strange и Charm (странный и очарованный), Top и Bottom (сейчас называемые Trast и Beauty - истинный и прелестный). Четвертую предполагаемую пару можно было бы назвать High и Low (высокий и низкий), но большинство данных свидетельствуют о том , что никакого дополнительного набора кварков не может существовать.
И все же это не конец кварковой истории. В то время как простая картина Up и Down кварков делает нейтроны по существу правильными, реальная жизнь добавляет некоторые непонятные осложнения.
В квантовой физике как в шпионских фильмах - все не так, как кажется. В протоне, например, два Up и один Down кварки не одиноки. Квантовая физика позволяет другим кваркам (известным как sea-кварки или морские кварки) появиться и существовать. В нуклонах (протонах или нейтронах) некоторые из этих морских кварков являются вариациями странных и антистранных кварков. Различные свойства нуклонов зависят от того, сколько странных кварков они содержат . Это важный фактор для экспериментов, пытающихся обнаружить таинственную темную материю во Вселенной. Меньшее количество странных кварков в нуклонах снижает вероятность взаимодействия с частицами темной материи, что делает ее обнаружение сложным.
За последнее десятилетие определение содержания странных кварков в нуклонах является одним из основных акцентов в области ядерных исследований, но результаты пока еще далеки от идеала.
В настоящее время физики уверены в том, что они знают, из чего состоит материя. Горстка строительных блоков может быть легко сведена в аккуратную маленькую таблицу.