Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Щоразу, як теорія заходить у подібний глухий кут, дуже корисно мати провідником експеримент, і саме це сталося 1968 року. Низка визначальних експериментів, що їх провели Генрі Кендалл, Джеррі Фрідман та Річард Тейлор із використанням новозбудованого Стенфордського лінійного прискорювача для розсіювання високоенергетичних електронів на протонах та нейтронах, виявили дещо надзвичайне. Судячи з усього, протони та нейтрони дійсно мали якусь субструктуру, проте дуже дивну. Зіткнення мали абсолютно неочікувані властивості. Чи був цей сигнал зумовлений кварками?

На допомогу швидко прийшли теоретики. Джеймс Бьйоркен продемонстрував, що феномен під назвою «скейлінг», який зафіксували експериментатори, можна пояснити, якщо протони й нейтрони складаються з практично невзаємодійних точкоподібних частинок. Далі Фейнман проінтерпретував ці об’єкти як реальні частинки, які він назвав партонами, та висловив припущення, що вони є ідентичними кваркам Гелл-Манна.

Проте така картина мала велику проблему. Якщо всі сильно взаємодійні частинки складаються з кварків, тоді й самі кварки мають бути сильно взаємодійними. Чого ж усе виглядає так, що всередині протонів і нейтронів вони майже вільні й не взаємодіють сильно один з одним?

Мало того, 1965 року Намбу, Хан Му-Янг та Оскар Ґрінберґ переконливо показали, що, якщо сильно взаємодійні частинки складаються з кварків і є ферміонами, як електрони, тоді Гелл-Маннова класифікація відомих частинок як різноманітних комбінацій кварків буде послідовною лише в тому випадку, якщо кварки мають якийсь новий різновид внутрішнього заряду – новий янг-міллзівський калібрувальний заряд. З цього випливало, що вони сильно взаємодіють за допомогою нового набору калібрувальних бозонів, які тоді дістали назву «глюони». Але де були глюони, а де кварки й чому не було жодних свідчень сильної взаємодії кварків усередині протонів і нейтронів, якщо вони дійсно ідентичні партонам Фейнмана?

З кварками була пов’язана ще одна проблема: протони й нейтрони беруть участь у слабких взаємодіях, і якщо ці частинки складаються з кварків, тоді кварки повинні брати участь не лише в сильних, а й у слабких взаємодіях. Гелл-Манн виокремлював три різні типи кварків, які охоплювали всі відомі на той час сильно взаємодійні частинки. Мезони могли складатися з пар «кварк – антикварк». Протони й нейтрони могли складатися з трьох частково заряджених кварків, які Гелл-Манн назвав верхнім ( u -, від англійського «up», тобто «верх») та нижнім ( d -, від англійського «down», тобто «низ») кварками. Протони складалися з двох верхніх і одного нижнього кварка, а нейтрони – з двох нижніх і одного верхнього. На додачу до цих двох типів кварків, для створення нових екзотичних елементарних частинок був потрібен іще один тип кварків, важча версія нижнього кварка. Гелл-Манн назвав цей кварк дивним ( s -, від англійського «strange», тобто «дивний»), а частинки, які містять s -кварки, були названі такими, яким властива «дивність».

Коли нейтральні струми були вперше запропоновані як частини слабкої взаємодії, виникла проблема. Якщо кварки взаємодіють із Z -частинками, тоді u -, d -, та s -кварки до та після нейтральнострумової взаємодії можуть залишитися u -, d -, та s -кварками, так само як електрони до та після цієї взаємодії лишаються електронами. Проте оскільки d – та s -кварки мають строго однакові електричні та ізотопічноспінові заряди, ніщо не завадило б s -кварку за результатами взаємодії з Z -частинкою перетворитися на d -кварк. Це дало б змогу частинкам, які містять s -кварки, розпадатися на частинки, які містять d -кварки. Проте жодного такого «розпаду зі зміною дивності» не було зафіксовано навіть в експериментах із дуже високою чутливістю. Щось тут було не так.

Відсутність «нейтральних струмів, що змінюють дивність» блискуче пояснив у 1970 році (принаймні на принциповому рівні) Шелдон Ґлешоу спільно з Джоном Іліопулосом та Лучано Майяні. Вони серйозно поставилися до кваркової моделі та висловили припущення, що, якщо існує четвертий кварк, який вони охрестили чарівним ( c – від англійського «charm», тобто «чарівність») і який має такий самий заряд, що й u -кварк, тоді в обчисленій частоті перетворення s -кварка на d -кварк відбудеться дивовижне математичне взаємоскорочення, і нейтральні струми, що змінюють дивність, зникнуть, що відповідатиме даним експериментів.