Лоуренс Краусс - Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

Всякий раз, когда теория, как в данном случае, заходит в тупик, очень полезно использовать эксперимент в качестве ориентира, и как раз это произошло в 1968 г. Серия основополагающих экспериментов, которые провели Генри Кендалл, Джерри Фридман и Ричард Тейлор с использованием новопостроенного ускорителя SLAC, на котором электроны высоких энергий рассеивались на протонах и нейтронах, обнаружила нечто замечательное. Выяснилось, что протоны и нейтроны действительно имеют некую субструктуру, но она была очень странной. Столкновения демонстрировали свойства, которых никто не ожидал. Указывали ли они на кварки?

Теоретики не замедлили прийти на помощь. Джеймс Бьёркен продемонстрировал, что явления, которые наблюдали экспериментаторы и которые стали называть скейлингом, можно понять, если считать, что протоны и нейтроны состоят из фактически не взаимодействующих точечных частиц. Затем Фейнман интерпретировал эти объекты как реальные частицы, которые он назвал партонами, и предположил, что в них можно распознать Гелл-Манновы кварки.

Однако у этой картины была одна по-настоящему крупная проблема. Если все сильно взаимодействующие частицы состоят из кварков, то кварки, безусловно, должны и сами участвовать в сильном взаимодействии. Почему же все выглядит так, будто они почти свободны внутри протонов и нейтронов и при этом не вступают в сильное взаимодействие друг с другом?

Более того, в 1965 г. Намбу, Хан Му Юн и Оскар Гринберг предположили и убедительно обосновали, что если сильно взаимодействующие частицы построены из кварков и являются фермионами, как электроны, то Гелл-Маннова классификация известных частиц по различным сочетаниям кварков в них получится непротиворечивой только в том случае, если кварки обладают каким-то новым видом внутреннего заряда – новым калибровочным зарядом Янга – Миллса. Из этого следовало, что они вступают в сильное взаимодействие посредством нового набора калибровочных бозонов, которые тогда назвали глюонами. Но где эти глюоны, и где эти кварки, и почему нет никаких свидетельств сильного взаимодействия кварков внутри протонов и нейтронов, если они действительно совпадают с партонами Фейнмана?

Еще одна проблема с кварками состояла в том, что поскольку протоны и нейтроны участвуют в слабых взаимодействиях и при этом состоят из кварков, то кварки тоже, по идее, должны участвовать не только в сильных, но и в слабых взаимодействиях. Гелл-Манн в свое время определил три разных типа кварков, из которых, по его мнению, строились все известные на тот момент сильно взаимодействующие частицы. Мезоны можно было сконструировать из пар кварк – антикварк. Протоны и нейтроны могли состоять из трех кварков с дробными зарядами, которые Гелл-Манн бесхитростно назвал верхними (u, up) и нижними (d, down) кварками. Протон включал в себя два u-кварка и один d-кварк, а нейтрон – два d-кварка и один u-кварк. В дополнение к этим двум типам кварков еще один тип – более тяжелая версия d-кварка – требовался для построения экзотических новооткрытых элементарных частиц. Гелл-Манн назвал этот кварк странным (s, strange); при этом говорилось, что частицы, в которых s-кварк содержится, обладают «странностью».

Когда впервые появилась гипотеза о нейтральных токах как составной части слабого взаимодействия, возникла проблема. При взаимодействии с Z-частицами u-, d- и s-кварки могли оставаться u-, d- и s-кварками и до, и после взаимодействия посредством нейтрального тока, точно так же как электроны остаются электронами и до, и после такого взаимодействия. Однако поскольку d- и s-кварки обладают в точности одинаковыми электрическим зарядом и изотопическим спином, ничто не должно мешать s-кварку превратиться в d-кварк при взаимодействии посредством Z-частицы. Это позволило бы частицам, включающим в себя s-кварки, распадаться с образованием частиц, в состав которых входят d-кварки. Но никаких подобных «меняющих странность» процессов не наблюдалось, несмотря на высокую чувствительность экспериментов. Что-то было не так.

Это отсутствие «меняющих странность нейтральных токов» сумел блестяще объяснить, по крайней мере в принципе, Шелдон Глэшоу в соавторстве с Джоном Илиопулосом и Лучано Майани в 1970 г. Эти ученые восприняли кварковую модель всерьез и предположили, что если существует четвертый кварк, получивший название очарованного (c, charm), с таким же зарядом, как у u-кварка, то при вычислении частоты превращения s-кварка в d-кварк произойдет замечательное математическое сокращение – и изменяющие странность нейтральные токи будут подавлены, в полном согласии с результатами экспериментов.