100 великих научных открытий

Чарлз Вильсон (изобретатель камеры, которой пользовался Андерсон) предположил, что, судя по массе, это должны быть протоны, но в проникающем излучении присутствовали как положительные, так и отрицательные частицы. Со своей стороны, Андерсон нашел в космическом излучении частицы, которые в магнитном поле сворачивали с прямого пути не так сильно, как электроны, но круче по сравнению с протонами. Это свидетельствовало о том, что по величине заряда частица сравнима с электроном, а по массе находится где-то между электроном и протоном. Выходит, именно эту частицу и нашел Юкава! — догадался Андерсон и нарек свое открытие мю-мезоном.

Впрочем, прошло всего пару лет, и обнаружилось, что мю-мезон ведет себя совсем не так, как мезон, — в частности, не стремится взаимодействовать с другими «обитателями» ядра и удерживать его от распада. А 10 лет спустя британский физик Сесил Пауэлл (1903–1969) запустил в небо на воздушном шаре светочувствительную пластинку, а после спуска обнаружил на ней следы частиц космического излучения. Изучив следы, Пауэлл идентифицировал частицы, предсказанные Юкавой: они были в 273 раза тяжелее электрона и очень активно участвовали во взаимодействиях. Частице дали имя пи-мезон — чтобы не путать ее с мю-мезоном, а потом оказалось, что последний вовсе не мезон: при распаде он выбрасывает и нейтрино, и антинейтрино, тогда как мезоны излучают что-то одно.

В 1950 г. по продуктам распада был выявлен нейтральный пи-мезон (пион), а мю-мезон между тем получил новое имя — мюон — и славу самой загадочной частицы.

Кварки

К середине ХХ в. ученым удалось отыскать множество новых составных частиц атомного ядра — почти все они существовали недолго, зато взаимодействовали с огромной интенсивностью, рассеиваясь одна на другой и предотвращая ядерный распад. Помимо мезонов, в эту обширную группу — группу адронов — вошли барионы (объединяющие в себе нуклоны — протоны и нейтроны — и тяжелые гипероны), а также антибарионы. Они несли в себе разные заряды, у них различались скорость и направление вращения, но их массы явно были как-то связаны с процессом и продуктами распадов. Физики даже попробовали построить модель адронных взаимодействий, классифицировав их по силе столкновений и рассеяний, однако многие зависимости были введены просто как безосновательные правила игры и остались без объяснений, а соответствующие характеристики расположились хаотично.

О том, что адроны можно разделить на семейства, каждому из которых будет отвечать определенная комбинация общих признаков, научный мир узнал от американцев Джорджа Цвейга и Мюррея Гелл-Манна в 1964 г. Независимо друг от друга ученые определили, что признаков (или степеней свободы, или кварков) совсем немного — всего два, но комбинируются они между собой по-разному, и это очень влияет на общую энергию адрона.

Поначалу все думали, будто кварки — просто абстрактные характеристики, ведь воочию их никто не видел. (Кстати, само слово было позаимствовано из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где встречается фраза-каламбур: «Три кварка для мистера Марка».)

Но за последующие четыре года в Стэнфордской лаборатории (SLAC) было завершено создание линейного ускорителя, предназначенного для выбивания заряженных высокоэнергетичных частиц, и ученые поняли: кварки — реальные частицы в составе адронов, и у них есть вполне реальные свойства: электрический заряд, масса, направление и скорость вращения. Подобно тому как протон и электрон удерживаются внутри атома, перебрасываясь мезонами, так и кварки держатся внутри адрона благодаря обмену особым видом частиц — глюонами. И что удивительно, чем дальше расходятся кварки, тем сильнее между ними связь, поэтому ни они, ни глюоны не могут выйти за пределы своего «дома». Такой вот конфайнмент.

Адронная модель по версии Цвейга и Гелл-Манна состояла из двух кварков (up, down, или u, d

— верхний и нижний) и их античастиц. Ученые определили, что верхний кварк несет положительный заряд, равный ⅔ протонного, а нижний — отрицательный, и его заряд составляет всего ⅓ заряда протона. Вообще, природа вполне могла бы обойтись только верхним и нижним кварками. Именно они служат стройматериалами для протонов и нейтронов, и при попытке вырвать кварк из родного «дома» тот просто распадается на протон/нейтрон и пион, состоящий опять-таки из этих двух кварков. Потому их стали считать семьей — дублетом — и представлять адроны в виде их комбинаций: барионы, например, как uud или udd, а мезоны — как союзы частицы и античастицы (скажем, uü).