Элементарные частицы

Потеря веса внутри ядра составляет уже проценты, а внутри элементарной частицы она настолько велика, что они как бы растворяются в энергии взаимодействия. На связь частей уходит значительная часть общей энергии и массы. В этом главное отличие элементарной частицы от всех других микрочастиц. Современную физику недостаточно просто выучить, к ней надо привыкнуть! Но с «лестницей», ведущей в недра материи, творится что-то странное: атомы расположены глубже молекул, ядра глубже атомов, а вот в протоне творится что-то невообразимое. Ступеньки громоздятся друг на друга и уже не так легко понять, спускаемся ли мы вниз или топчемся на месте. Когда задача становится слишком сложной и запутанной, полезно взглянуть на неё с другой стороны. Забудем, что протон элементарный, попробуем просветить его какими-либо лучами.

Далее путём электронного «просвечивания» удалось увидеть протон ближе. Он выглядит примерно как планета с массивным ядром и протяжённой атмосферой. Радиус протонного керна всего лишь в несколько раз меньше размеров его мезонной «шубы». Можно было ожидать, что нейтрон имеет аналогичное строение. Простая модель испускания-поглощения мезона подсказывает, что окраинные области у протона и нейтрона отличаются лишь знаком заряда. Опыт неожиданно показал совсем другое - радиус облака электрических зарядов у нейтрона оказался равным нулю! Иными словами, в нейтроне есть что-то, что нейтрализует заряд мезонного облака или модель «жонглирования» неверна, и тогда наше представление о строении элементарных частиц несправедливы, и физикам придётся начинать всё заново. Было от чего прийти в волнение! Учёные собирали конгрессы, пытались сообща понять, в чём тут дело. Пытались понять это и мы в Дубне. Непонятно, почему происходит нейтрализация облаков, но прежде надо удостовериться, что эти облака существуют. Это можно установить, поместив нейтрон в сильное электрическое поле. Тогда все положительные заряды сместятся в одну сторону, а отрицательные - в другую. Нейтрон превратится из шарика в гантель, что скажется на его взаимодействиях с атомными ядрами. Заметить растяжение нейтрона на опыте так и не удалось, помешали побочные эффекты.

Разгадка этого явления пришла после открытия тяжёлых мезонов С и Щ. Выяснилось, что р-мезоны при определённых условиях могут «слипаться» и превращаться в короткоживущие частицы. Это и были С- и Щ-мезоны. Из таких «слипающихся» и снова разваливающихся частиц и состоит «шуба» нуклона. В протоне условия благоприятствуют образованию заряженных «капель», а в нейтроне - нейтральных, поэтому электроны и не чувствуют мезонной оболочки нейтрона. Чтобы её обнаружить, нужно просвечивать нейтрон пучком жёстких протонов. Во всех взаимодействиях нейтрон ведёт себя, как частица с «размазанной» в пространстве массой и равным нулю радиусом распространения электрических зарядов.

Но всё это не упростило картину строения нуклонов, а только усложнило её. Если бы протон представлял собой монолитную единую картину, то согласно третьему закону Ньютона величина импульса столкнувшегося и отскочившего от протона электрона дала бы сведения о движении протона как целого. В опытах с рассеиванием очень жёстких электронов получилось иначе - вместо чёткой точки на экранах получилось размытое пятно. Американский физик Р.Фейнман первым понял, в чём тут дело. Используя аналогию с радиолокацией, где разваливающаяся на куски ракета или самолёт предстают на экране радара расплывчатым пятном, Фейнман предположил, что нуклоны состоят из мелких частичек. Из них состоит его керн и мезонное облако. Эти частицы он назвал партонами - от английского слова part - часть. Теперь можно спросить, что же такое нуклон - керн, одетый в мезонную «шубу», или комочек мелкозернистой партонной «икры»? Объекты микромира, их необычную сущность, нельзя объяснить одной картиной - они слишком сложны для этого. Наглядное представление о нуклоне - это набор отдельных картинок.

Также и обилие открытых и вновь открываемых адронов и резонансов навело учёных на мысль об их сложном строении. Гелл-Манн и Цвейг, независимо друг от друга предположили, что все адроны состоят из более фундаментальных частиц, названных Гелл-Манном кварками. Цвейг предложил назвать кварки тузами, Фейнман - партонами, но эти названия не прижились. О происхождении названия «кварк» у физиков в ходу две легенды. По одной из них, оно появилось, как шутка - в немецком языке слово «кварк» означает одновременно «творог», «протоплазма» и «чепуха». Поначалу теоретики с юмором относились к сделанному открытию. Согласно другой легенде, название новой элементарной частицы взято из романа Джойса «Поминки по Финнигану», где в бредовом сне героя летящие за кораблём чайки выкрикивают человеческими голосами фразу: «Три кварка для мистера Марка».

Поначалу многие учёные считали кварки курьёзом, временными «строительными лесами» новой, более совершенной теории. Но не успели они оглянуться, как оказалось, что с помощью кварков просто и наглядно объясняются различные экспериментальные факты, а теоретические вычисления сильно упрощаются.

В целом, картина строения материи стала приобретать более привычные черты - нуклоны состоят из кварков, большее из меньшего, и ступеньки воображаемой лестницы вновь выпрямились и пошли вниз.

Кварки обладают несколькими выдающимися особенностями. Их заряд равен -? и +? электронного, а в природе до этого не находили частицы с дробным зарядом. Также у кварков есть цвет и аромат. Аромат - это просто способ различать шесть кварков. Сначала хотели их просто пронумеровать, но решили, что нельзя назвать один кварк первым, а другой - последним, и ввели понятие аромата. Конечно же, понюхать кварк нельзя, это лишь удобный и необычный термин, такой, как странность, очарование или прелесть. Физики любят использовать необычные, а потому легко запоминающиеся названия.

Цвет кварка - это его своеобразный заряд. Испуская или поглощая глюон, кварк меняет свой цвет. Глюоны, подобно пчёлам, снуют между кварками, перенося цвет. В зависимости от того, сколько и какой «пыльцы» унёс глюон, кварк приобретает определённый цвет. Кварковый заряд - цвет - во многом похож на электрический. Он также может быть большим или маленьким, положительным или отрицательным (тогда говорят, что цвет сменился антицветом). Но есть и отличие. Как бы не изменялся электрический заряд, он всегда остаётся зарядом, а цветовой заряд может изменить свой цвет.

С открытием цвета микромир стал ярче и разнообразнее, но кварков стало уже 18. Слишком уж сложной стала «самая элементарная частица».