Кварковая революция, она же детектив, — неизвестные подробности

Кварковая революция, она же детектив, — неизвестные подробности

Осенью 1974 года две группы американских физиков совершили открытие, именуемое Ноябрьской революцией. В связи с 40-летним юбилеем этого события о его драматических обстоятельствах нам напомнит Алексей Левин.


Считавшиеся когда-то элементарными (то есть неделимыми) частицы, как оказалось, состоят из еще более фундаментальных кварков

ПРЕДРЕВОЛЮЦИОННАЯ СИТУАЦИЯ


Полвека назад Марри Гелл-Ман и Джордж Цвейг создали структурную модель адронов — частиц, принимающих участие в сильных ядерных взаимодействиях. В соответствии с ней все адроны являются сложными объектами, состоящими из истинно элементарных частиц, кварков. Кварки могут существовать лишь внутри адронов и поэтому никогда не наблюдаются в свободном состоянии. Адроны бывают двух видов — барионы и мезоны. Каждый барион в кварковой модели предстает как комбинация трех кварков, а мезон — как связанное состояние кварка и антикварка. Конечно, это общая схема, сама модель намного сложнее.

К середине 1970-х годов экспериментаторы собрали немало подтверждений теории кварков, но полным доверием она всё же не пользовалась. На это были свои причины. Во-первых, имелись сомнения в реальности частиц, которые невозможно отловить ни на каком детекторе. Другая причина состояла в явной нехватке по крайней мере одного кварка, который наличествовал в теории, но не проявлялся в эксперименте. Его-то открытие и стало Ноябрьской революцией.

НЕУЛОВИМОЕ ОЧАРОВАНИЕ

Сначала кварковая модель включала только три кварка (и три антикварка), обозначенные буквами u, d и s (полностью — up, down и strange). U-кварк несет положительный электрический заряд, равный 2/3 заряда протона, а заряды d-кварка и s-кварка равны –1/3. Эта асимметрия наталкивала на мысль о существовании еще одного кварка с таким же зарядом, как у u-кварка.

В пользу существования четвертого кварка имелись и другие аргументы. Для обычной материи вполне хватает u-кварка и d-кварка. Именно из них сложены частицы, образующие атомные ядра, — протоны и нейтроны. Внутри ядер они цементируются благодаря обмену пи-мезонами (пионами), которые опять-таки состоят лишь из u- и d-квар­ков и их антикварков. Поэтому u-кварк и d-кварк очевидным образом образуют отдельное семейство (как выражаются физики, дублет), а третий кварк природе вроде бы и ни к чему. Но не тут-то было. С 1947 года физики начали находить нестабильные частицы, порожденные взаимодействием космических лучей с земной атмосферой. Их свойства настолько не укладывались в тогдашние представления о мироздании, что новые частицы назвали «странными». Для объяснения этих свойств и понадобилось ввести в игру третий кварк, который тоже окрестили «странным». Само собой напрашивалось предположение, что он должен входить в состав второго кваркового дублета и посему обязан иметь партнера с зарядом 2/3.

Существовал и еще один аргумент в пользу четвертого кварка. К моменту создания кварковой модели уже было известно, что электрон имеет массивный аналог в лице мюона, причем каждой из этих частиц соответствует собственное нейтрино. Здесь опять-таки просматривались два дублета: электрон плюс электронное нейтрино и мюон плюс мюонное нейтрино. Естественно было предположить, что первый дублет является партнером дублета u- и d-кварков. По этой логике мюонному дублету опять-таки должен был соответствовать кварковый дублет, который пока еще был, напомним, лишь наполовину заполнен.

Эти соображения казались столь очевидными, что гипотеза четвертого кварка была высказана всего через несколько месяцев после появления кварковой модели. Ее авторы Джеймс Бьоркен и Шелдон Глэшоу назвали этот кварк «очарованным», charmed (поэтому и c-кварк). Как вспоминал Глэшоу, этот термин должен был подчеркнуть, что новый кварк восстанавливает симметрию в мире субатомных частиц. Поскольку частицы с дробными электрическими зарядами тогда доверия не вызывали, Бьоркен и Глэшоу наделили очарованный кварк целочисленным зарядом, однако годом позже Джон Моффат исправил эту неточность. Несколько лет четвертый кварк пылился на полке без применения, но в 1970 году Глэшоу и еще двое физиков показали, что с его помощью можно понять некоторые из особенностей распада «странных» частиц из группы каонов, которые до этого не поддавались объяснению.

И всё бы хорошо, но вот беда: экспериментаторы никак не могли обнаружить следы очарованного кварка. Отчасти это можно было списать на его большую массу, которая, как ожидалось, заметно превышала массу протона (масса s-кварка приблизительно равна 0,1 массы протона, а массы двух остальных еще меньше). Из этого следовало, что частицы с участием единственного c-кварка, скорее всего, тянут не менее, чем на полторы протонные массы (около 1,5 ГэВ), а мезон, составленный из c-кварка и его собственного антикварка, — как минимум на три (около 3 ГэВ). В 1960-е годы были введены в строй ускорители, чьи энергетические возможности позволяли рождаться и более массивным частицам. Хотя c-кварк долго ускользал от экспериментаторов, его удалось обнаружить на двух машинах этого поколения, одна из которых действовала на Атлантическом побережье США, а другая — на Тихоокеанском.


Протонный сильнофокусирующий синхротрон (Alternating Gradien Synchrotron). Именно такой заработал в 1960 году в Брукхейвенской национальной лаборатории

ВОСТОК НЕ СПЕШИТ

В 1960 году в Брукхейвенской национальной лаборатории на острове Лонг-Айленд был запущен синхротрон AGS, разгонявший протоны до энергии 33 ГэВ, который до 1968 года оставался самым мощным ускорителем в мире. Сейчас он поставляет протоны в накопительное кольцо установки RHIC, сталкивающей их с тяжелыми ионами.

Весной 1974 года профессор Массачусетского технологического института Сэмюэл Тинг с сотрудниками установил на AGS высокочувствительный магнитный спектрометр собственной конструкции. Он планировал использовать этот прибор для изучения электронов и позитронов, которые должны возникать при распаде адронов, порожденных столкновениями протонов с ядрами бериллия. К середине июля прибор был отлажен, и измерения начались.

Сначала группа Тинга отслеживала электрон-позитронные пары, которые можно было приписать распаду частиц с массами от 3,5 до 5,5 ГэВ. Этот поиск не принес ничего интересного, и 31 августа Тинг решил перейти к интервалу 2,5–4 ГэВ. Уже 2 сентября его постдок Теренс Роадс заметил на компьютерных распечатках явный избыток электронов и позитронов, который можно было приписать распаду неизвестной частицы-предшественника с массой около 3 ГэВ. Роадс сам себе не поверил и ничего не сказал шефу, который в тот день улетел в Женеву и возвратился только 10 сентября. К этому времени две команды ассистентов Тинга занялись загадочными всплесками. Сначала они сочли их за компьютерную ошибку и продолжали держать Тинга в неведении. К тому же для пущей надежности обе команды действовали независимо и не обменивались информацией, что могло бы ускорить работу. В итоге лишь к середине октября они окончательно убедились, что спектрометр регистрировал узкие пики рождения электрон-позитронных пар с суммарной энергией порядка 3,1 ГэВ.

13 октября Тингу наконец сообщили о полученных результатах. В ретроспективе очевидно, что открытие новой частицы тогда уже состоялось. В норме Тинг и члены его команды должны были немедленно забить свой приоритет, срочно подготовив статью для публикации в престижном журнале. Если бы так и произошло, история открытия была бы куда менее драматичной, нежели в действительности. Однако Тинг славился осторожностью и опасался выступить с преждевременным заявлением. Поэтому он решил провести еще одну серию измерений, а пока попросил помощников держать рот на замке. Обработка новых данных была закончена к концу октября и опять показала острый пик на такой же энергии. Помощники убеждали Тинга немедленно обнародовать эти сенсационные результаты, но тот всё еще колебался и терял драгоценное время. Тинг приступил к статье лишь 6 ноября, да и то без особой спешки. Он наверняка не тянул бы с публикацией, если бы знал, что еще одна группа физиков наступает ему на пятки.

А ЗАПАД ТОРОПИТСЯ

В 1966 году в Стэнфордском университете был запущен линейный ускоритель электронов SLAC, разгонявший эти частицы до рекордной по тому времени энергии 20 ГэВ. Через шесть лет к нему добавили накопительное кольцо SPEAR. Профессор Бертон Рихтер был одним из инициаторов создания этого комплекса и собирался провести на нем серию экспериментов, которые оказались бы своего рода зеркальным отражением экспериментов Тинга. Физики из Брукхейвена регистрировали электрон-позитронные следы взаимодействий между адронами, а их калифорнийские коллеги с помощью своего фирменного детектора Mark I отлавливали адроны, возникшие при лобовых столкновениях электронов и позитронов.

Группа Рихтера приступила к работе на кольце SPEAR весной 1973 года. В течение полутора лет ничего особенного не произошло. Однако в середине октября 1974 года было замечено небольшое (всего 30-процентное) увеличение темпов образования вторичных частиц при суммарной энергии электронов и позитронов в 3,1 ГэВ. К 8 ноября члены этой же команды Герсон Голдхабер и Скотт Уиттэкер пришли к заключению, что среди продуктов столкновений встречается множество каонов. Это позволяло предположить, что каоны возникли в результате распада массивных частиц, содержащих очарованные кварки.


Странная элементарная частица омега минус гиперон. Первое наблюдение в пузырьковой камере
И вот тут стэнфордским физикам крупно повезло. Позже, правда, выяснилось, что Голдхабер и Уиттэкер ошиблись. Однако Рихтер им поверил и немедленно начал контрольные измерения с увеличением энергии сталкивающихся частиц малыми шажками. В субботу и воскресение, 9 и 10 ноября, калифорнийские ученые лихорадочно трудились, промеряя интервал энергий от 3,10 до 3,12 ГэВ. К концу второго дня они получили фантастический результат: при суммарной энергии электронов и позитронов 3,105 ГэВ интенсивность рождения вторичных частиц примерно в сто раз превышала фоновый уровень! Отсюда однозначно следовало, что эти частицы возникли в результате распада материнской частицы примерно такой же массы. После непродолжительных споров ее решили обозначить греческой буквой ψ (пси). Рихтер немедленно приступил к написанию статьи с сообщением об открытии, а телефон мгновенно разнес новость по научным центрам во всем мире.

По иронии судьбы Тинг еще несколько часов находился в полном неведении. Воскресным вечером он вылетел из Нью-Йорка в Сан-Франциско и утром в понедельник добрался до Стэнфорда. Он привез материалы о работе своей группы, которые хотел обсудить с директором SLAC Вольфгангом Панофски. В кабинете Панофски Тинг столкнулся с Рихтером, и тут-то оба ученых узнали, что совершили одно и то же открытие. Забросив все дела, Тинг закончил статью, где окрестил новую частицу буквой J. 16 ноября Тинг и Рихтер дали совместную пресс-конференцию, и на следующий день информация об открытии появилась в New York Times. 2 декабря статьи обеих групп были опубликованы в Physical Review Letters, а два года спустя Рихтер и Тинг разделили Нобелевскую премию по физике. Если бы Тинг не задержал публикацию, он почти наверняка стал бы единственным лауреатом. Так что принцип «поспешишь — людей насмешишь» работает не всегда.

НОЯБРЬСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ — 40 ЛЕТ СПУСТЯ


Поскольку никто не хотел пожертвовать правом дать имя новооткрытому адрону, он вошел в каталог субатомных частиц как J/ψ. Сейчас известно, что J/ψ представляет собой мезон, связанное состояние с-кварка и его антикварка. Поскольку очарование с-кварка равно 1, а с-антикварка –1, очарование мезона J/ψ равно 0. Его массу неоднократно уточняли в экспериментах и, по последним данным, она равна 3,0969 ГэВ. К слову, масса с-кварка 1,29 ГэВ.

Понимание природы новой частицы пришло не сразу. Несколько физиков-теоретиков, в том числе и Глэшоу, расшифровали ее практически немедленно, но были и другие версии. В мае 1976 года Голдхабер и работавший с ним на кольце SPEAR визитер из Франции Франсуа Пьер открыли первую частицу с ненулевым очарованием, состоящую из с-кварка и u-антикварка. После этого четвертый кварк получил полное признание физиков.

В ДВУХ СЛОВАХ


Названия политических революций нередко привязаны к календарю, например Февральская революция 1917 года в России. Одно такое название есть и в истории науки. Осенью 1974 года две группы американских физиков совершили открытие, именуемое Ноябрьской революцией, — одновременно дополнили Стандартную модель физики. Два лидера этой революции, получившие за дополнение Нобелевскую премию, дали специально для «НвФ» краткие интервью.

ЭТО НУЖНО ЗНАТЬ

Важные термины, которые помогут вам разобраться в истории с кварками

Адроны
Класс элементарных частиц, подверженных так называемому сильному взаимодействию. Адроны делятся на две большие группы: барионы, состоящие из трех кварков (к ним относятся, в частности, всем известные протоны и нейтроны), и мезоны (к ним относятся пионы, каоны и прочие), состоящие из кварка и антикварка.

Кварки
В 1960-х годах выяснилось, что элементарные частицы (протоны, нейтроны и прочие) построены из частиц, которые сейчас считаются истинно элементарными, которые назвали кварками. Кварк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом кратным e/3 и не наблюдающаяся в свободном состоянии. В последнее время выдвигаются гипотезы, что и кварки состоят, в свою очередь, из более простых частиц, преонов, но они пока ничем не подтверждены.

Бозоны и фермионы
Это частицы с целым (в случае бозонов)или полуцелым (в случае фермиона) значением спина. К фермионам относятся кварки, электроны, мюоны, нейтрино и прочие.

ПРЕДТЕЧИ

Они оба, независимо друг от друга, но в одном году, стали авторами гипотезы о существовании кварков

Джордж Цвейг
В свои неполные 30, в 1964 году,  Цвейг предложил гипотезу существования кварков. Цвейг называл кварки «тузами», поскольку полагал, что существует всего четыре кварка (как четыре масти в картах). Позднее Цвейг занялся нейробиологией и изучал преобразование звука в нервные импульсы.
Марри Гелл-Ман
Постулировал в 1964 году кварковую модель элементарных частиц. Имя кваркам Гелл-Ман нашел в книге Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит «Три кварка для мастера Марка!». Лауреат Нобелевской премии по физике 1969 года за открытия в области элементарных частиц.


Об итогах Ноябрьской революции рассказали журналу «НвФ» оба ее отца-основателя, нобелевские лауреаты





Профессор Рихтер отметил, что открытие J/ψ-мезона было делом случая. Он задумал свой эксперимент в 1963 году, когда кварковой модели еще не было, а SLAC только строился. Но даже десятью годами позже, когда начались измерения на кольце SPEAR, об очарованных кварках Рихтер и его коллеги даже не думали. Провидение послало им открытие, которого они совершенно не ожидали.

Шок от этого открытия, по мнению Рихтера, вполне объясним. К середине 1970-х годов была уже построена общая теория субатомных частиц, так называемая Стандартная модель. Она включала лишь u-, d- и s-кварки. Естественно, что в ней не было места частицам, имеющим в своем составе хоть один дополнительный кварк. Поэтому одновременное открытие нового мезона в двух лабораториях произвело эффект разорвавшейся бомбы. Потом в течение пары недель эти результаты подтвердили еще три группы экспериментаторов. Новая частица была столь массивной, что никак не могла оказаться композицией «старых» кварков. После ее открытия стало понятно, что Стандартная модель неполна и нуждается в расширении. Потребность в серьезном пересмотре основополагающих теорий возникала в истории науки много раз, и не только в физике, но в данном случае она была осознана с рекордной скоростью. Именно поэтому, по мнению Рихтера, открытие J/ψ-мезона было признано достижением революционного масштаба. Что до выражения «Ноябрьская революция», то оно, как вспоминает Рихтер, появилось спонтанно, и сейчас уже трудно выяснить, кто его придумал.

Сэмюэл Тинг признался, что ни он, ни его сотрудники тоже не задумывались об очарованном кварке и тем более не надеялись найти его следы в своем эксперименте. Тинг, разумеется, был хорошо осведомлен об этой гипотезе и не раз обсуждал ее с теоретиками, однако свой эксперимент в Брукхейвене он задумал вовсе не для ее проверки. Даже в середине октября 1974 года, когда он и его ассистенты поняли, что наткнулись на что-то совершенно необычное, они не связали полученные результаты с рождением очарованных кварков. Так что и они, как и физики из группы Рихтера, далеко не сразу осознали смысл и значение своего открытия.

Ноябрьская революция, считает Тинг, сработала не только на сиюминутные нужды физики субатомных частиц, но и на отдаленную перспективу. Она укрепила позиции высказанной в 1973 году гипотезы, которая утверждала существование третьего кваркового дублета. Экспериментаторы взялись за его поиски, и со временем это принесло плоды. В 1977 году был обнаружен один из членов нового дублета — b-кварк, а еще через 18 лет — его сверхмассивный партнер t-кварк. Оба кварка, равно как и с-кварк, удалось успешно включить в Стандартную модель.

После 1995 года не было открыто ни одного нового кварка, сказал Тинг, однако никто не знает, каким станет список этих частиц через сто лет. Возможно, что других кварков не существует в природе, но их наверняка будут искать и на Большом адронном коллайдере в окрестностях Женевы, и на ускорителях следующих поколений. Так что, закончил Тинг, Ноябрьская революция сильно подтолкнула прогресс физики высоких энергий.

Фото: Diomedia x5, AP/East New

Алексей Левин — кандидат философских наук, научный журналист, науковед
 
# Вопрос-Ответ