Юрий Чирков - Охота за кварками

Какого цвета элементарные частицы?.. Этот вопрос задавал многим физикам Г. Копылов, автор интересной книги про микромир («Всего лишь кинематика»).

Ответы были разными. При этом многие сошлись па мнении, что протон наверняка черный, если не красный.

Но показательно: высказывались только физики-теоретики, физики-экспериментаторы же, как правило, отмалчивались.

Получился, пишет Г. Копылов, хороший тест, позволяющий отличить потенциального теоретика от экспериментатора. Если вы, студент-физик, не чувствуете цвета частиц — не идите в теоретики!..

Когда впервые прозвучало слово «кварки», их было всего три. Известно было, что из этих элементов вроде бы можно построить любой адрон. Можно! Но только вот…

Оказывается, размещать кварки внутри частиц произвольно нельзя. Для них, как для зрителей в театре, должны быть отведены вполне определенные, строго пронумерованные квантовые «места».

Негоже двух (тем более нескольких) зрителей сажать в одно и то же кресло. Но именно это, казалось бы, делали теоретики с кварками. Внутри некоторых частиц билеты с одним и тем же номером получали сразу два, а иногда и три кварка.

Например, омега-минус-гиперон должен состоять из трех одинаковых странных кварков, причем одинаковыми у них должны быть и направления спинов. (Когда физики вводили понятие «спин», то предполагалось, что частицу, скажем, электрон, можно рассматривать как «вращающийся волчок», и его спин — от английского spin — вращаться, вертеться — и есть характеристика такого вращения.)

Все кварки — частицы с полуцелым спином: значит, выражаясь языком квантовой механики, они являются фермионами. Но фермионы (к ним относятся и электроны) не имеют права (действует так называемый принцип запрета Паули, ответственный, в частности, за живописное разнообразие электронных оболочек в атомах различных химических элементов) «быть вместе», находиться в одинаковом состоянии.

Тупик? Катастрофа для концепции кварков? Но противоречить канонам и прописям могущественной квантовой механики, которая до этого праздновала одну победу JA другой, было рискованно. Нет, что-то здесь было не так!

Первым выход из этого затруднительного положения указал (1905) академик Н. Боголюбов (в совместной со своими сотрудниками, Б. Струминскпм и А. Тавхолидзе, статье).

(Судьба Н. Боголюбова необычна. Известный советский математик Н. Крылов после беседы с четырнадцатилетним (1923 год) пареньком, окончившим сельскую семилетнюю школу, взял его к себе в ученики и до пределa загрузил работой. Не прошло и года, как ученик написал первую научную статью. Специальным решением Наркомпроса пятнадцатилетний подросток был зачислен в аспирантуру. А еще через два года юный математик стал сотрудником кафедры математической физики.)

Н. Боголюбов предположил, что вроде бы одинаковые кварки, составляющие тот или иной адрон, на самом деле не совсем подобны. Они различаются неким свойством, которое, за неимением готовых названий и в погоне за яркостью образа (а может быть, и не без юмора!), позднее нарекли «цветом».

Так кварки стали цветными. Существуют красные, зеленые, синие кварки. (Название цветов и сам термин «цвет», конечно же, не более чем наглядная и точная метафора, в которой нуждаются не только читатели научно-популярных книг и статей, но и сами ученые.)

Так введением еще одного загадочного качества кварков был восстановлен порядок в физическом «театре».

Его мудрая «дирекция» решила: кресел в зале вполне достаточно, просто надо понимать, что они различаются не только номерами, но и цветом: под одним и тем же номером значатся кресла трех цветов. Соответственно и билеты предлагалось покрасить в синий, красный и зеленый цвета. (Заметим, что до сих пор физики путаются, называя цвета: кое-кто толкует также о желтых, голубых кварках.)

Однако история с раскраской кварков на этом не закончилась. Сказавши «а», физикам надо было произнести и «б». Находясь в адроне, кварки должны взаимодействовать между собой: иначе непонятно, что их держит вместе. Но если есть взаимодействие, то должны быть (снова квантовая механика) и его кванты. В том же смысле, в каком фотон является переносчиком электромагнетизма, а пи-мезон (в первых теориях) переносчиком ядерных сил.

Поневоле пришлось допустить существование и особых переносчиков цвета глюонов (от слова glue — клей: глюоны «склеивают» кварки, не дают им разлететься).