Открытие самой тяжелой элементарной частицы

Б.А.Арбузов (Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 9, 1996 г. Содержание

---

Элементарные частицы

Как известно, окружающее нас вещество и мы сами построены из атомов, состоящих из электронов и ядер, а последние, в свою очередь, состоят из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны принадлежат к классу участвующих в сильном взаимодействии частиц, называемых адронами. Не участвующий в сильном взаимодействии электрон входит в группу лептонов. Как и ядра атомов, адроны, в свою очередь, являются составными частицами. Их составляющие получили название "кварки"; они обладают своеобразными свойствами. Самое необычное свойство состоит в том, что кварки существуют только внутри адронов и не наблюдаются как изолированные объекты. В составе протона и нейтрона присутствуют два сорта кварков: u и d; u-кварк имеет электрический заряд 2/3 e и d-кварк соответственно -1/3 e, где e - элементарный заряд, например заряд протона. Нейтрон n состоит из трех кварков (u, d, d), а протон p также из трех кварков, но в другой комбинации (см. рис. 1). Другие адроны также состоят из кварков, например, отрицательно заряженный -мезон - , где черта над символом означает антикварк, имеющий противоположные своему кварку заряды, например, электрический заряд антикварка есть - 2/3 e. Кварки сильно взаимодействуют между собой, это взаимодействие и удерживает их внутри соответствующей частицы. Природа этого взаимодействия была выяснена более 20 лет тому назад. Причиной сильного взаимодействия является то, что кроме электрического заряда кварки имеют еще и новый, крайне своеобразный заряд, получивший название цветного, который приводит к появлению сил, связывающих кварки в адроны. Лептоны, в частности электрон и его античастица - позитрон, таким зарядом не обладают (они нейтральны или, как говорят, бесцветны) и поэтому сильно не взаимодействуют. В адроне, например в протоне или нейтроне, цветные заряды составляющих их кварков скомпенсированы и наблюдаемые частицы также являются бесцветными. В бесцветности всех наблюдаемых частиц и состоит поразительное свойство сильных взаимодействий цветных кварков.

Рис. 1. Кварковый состав протона (а) и нейтрона (б). Темный кружок соответствует кварку u, светлый кружок - кварку d.

Мы знаем, что атомы обычно электрически нейтральны, но, например, в сильно нагретом газе происходит ионизация, то есть один или несколько электронов отрываются от атома и вещество (плазма) теперь состоит из заряженных частиц (ионов и электронов). Оказывается, что аналогичный процесс для кварковых атомов - адронов - невозможен. В адроне, например в протоне, цветные заряды трех кварков скомпенсированы. Из этого следует, что три кварка должны обязательно иметь различные заряды, то есть существуют три разных заряда, три различных цвета. Оказывается, что большего разнообразия и не нужно. Таким образом, имеется три сорта (цвета) каждого кварка u и каждого кварка d. Нумеруя их индексом i = 1, 2, 3, получаем точное описание компенсации цвета: в протоне должны быть кварки всех трех цветов p = u₁u₂d₃ + ..., где многоточие обозначает различные перестановки кварков. Далее, точно так же, как с электрическим зарядом связано знакомое нам электромагнитное поле, с этими цветными зарядами связано поле, получившее название глюонного. Это глюонное поле связывает кварки внутри адронов и вообще осуществляет взаимодействие между ними. Свойство бесцветности наблюдаемых частиц и, наоборот, ненаблюдаемости цветных частиц, например самих кварков, объясняется тем, что если цветной заряд оказывается нескомпенсированным, глюонное поле становится настолько сильным, что обязательно найдет где-то недостающую для компенсации частицу, притянет ее и вернет систему в бесцветное адронное состояние. Таким образом, разделение адрона на его цветные составляющие произойти не может. Нет аналога ионизации атома. Это общее свойство сильного взаимодействия получило многочисленные экспериментальные подтверждения. Однако мир элементарных частиц не исчерпывается электроном, позитроном, цветными u- и d-кварками и их антикварками, а также электромагнитными и глюонными полями и квантами. Существует большое количество других частиц, которые требуют для своего описания расширения числа элементарных составляющих - кварков и лептонов. О лептонах. Лептоны, оказывается, объединяются в пары. Заряженному электрону соответствует нейтральная частица нейтрино электронное , а позитрону - антинейтрино электронное . Таких пар к настоящему времени открыто три: в дополнение к электронной еще мюон (который тяжелее электрона в 207 раз) со своим нейтрино и тау-лептон (в 3478 раз тяжелее электрона) и его нейтрино . Кварки тоже группируются в пары. С одной парой мы уже знакомы: u (заряд 2/3 e) и d (заряд -1/3 e). Следующая пара кварков: c (2/3 e) и s (-1/3 e). Наконец, существует тяжелый кварк b (-1/3 e), возможный партнер которого с зарядом 2/3 e был предсказан и назван t-кварком. Почему он был предсказан? Совсем на поверхности лежит проявляющаяся симметрия между лептонами и кварками: три пары лептонов - три пары кварков:

(1)

Это на поверхности, но под этой, казалось бы, поверхностной симметрией лежат глубокие основания. Оказывается, что если каждой паре лептонов нет соответствующей пары цветных кварков именно с таким распределением зарядов, как мы привели выше, то теория, описывающая взаимодействия кварков и лептонов, так называемые электрослабые, становится противоречивой. Таким образом, существование t-кварка необходимо с общей теоретической точки зрения. Но как его искать, какова его возможная масса? Это фактически аналог вопроса, куда направить телескоп, чтобы увидеть Нептун. Вопрос требует более тщательного рассмотрения. Чтобы перейти к этому, надо пояснить, что же такое электрослабое взаимодействие и как оно устроено.

Назад | Вперед

Публикации с ключевыми словами: элементарные частицы - кварки - t-кварк Публикации со словами: элементарные частицы - кварки - t-кварк
См. также: Бозон Хиггса: объяснение в комиксе Связь кварков с космосом: двенадцать научных вопросов для нового века Публичная лекция лауреата Нобелевской премии: Рождение творческих идей Эволюция вселенной Лептоны Элементарные частицы Ее звали Икс Все публикации на ту же тему >>