Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

В 1961 году Гелл-Манн и израильский физик Ювал Нееман применили теорию групп в новом методе, который они назвали восьмеричным (он основывается на восьми квантовых числах). При помощи этого метода им удалось распределить элементарные частицы по семействам в зависимости от таких параметров, как странность и изотопический спин. В результате получились изображённые ниже структуры. На левой верхней схеме изображено семейство n-p, состоящее из нейтрона, протона и частиц ?, ?, ?. Некоторые из семейств имеют восемь членов, другие – десять, но все члены одного семейства имеют одинаковый спин и различаются лишь зарядом и странностью.

Полученные диаграммы чем-то похожи на периодическую систему элементов. Её автор, Д. И. Менделеев, создавая свою систему, не знал, почему элементы в ней располагаются именно так (это выяснилось гораздо позже), но увидел, что в ней остаются пустые клетки. Это позволило ему предсказать существование ряда неизвестных ранее элементов. Гелл-Манн и Нееман также не понимали смысла своих диаграмм, но, как и в периодической системе, одна из них оказалась не до конца заполненной (пустым оставался нижний угол треугольника). Благодаря диаграмме оказалось возможным предсказать свойства неизвестной частицы, и в Брукхейвене начались её интенсивные поиски. Пришлось сделать более 50 тысяч фотографий, но в 1963 году её всё-таки удалось найти. До того многие физики скептически относились к работе Гелл-Манна, полагая, что это несерьёзное, хотя и занятное жонглирование цифрами. Однако открытие предсказанной им частицы, получившей название ?^- (омега минус), заставило научный мир пересмотреть своё отношение. Это был триумф новой методики.

Группировка элементарных частиц согласно восьмеричному методу

Однако оставалась ещё одна проблема – почему этот метод сработал? Видимо, должна существовать какая-то более глубокая структура частиц, лежащая в основе восьмеричного метода. Когда Гелл-Манн занялся этой проблемой в начале 60-х годов, он не 197 знал, что в Европе над ней работал другой физик – Георг Цвейг. Они независимо друг от друга обнаружили, что обоснованием восьмеричного метода может служить наличие внутри адронов других, ещё более элементарных частиц. Цвейг назвал их тузами, но прижилось имя, данное им Гелл-Манном – кварки (он взял это слово из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где есть такая фраза: «Три кварка для мастера Марка»).

Мюррей Гелл-Манн (родился в 1929 году)

Согласно теории Гелл-Манна имеются кварки трёх типов («ароматов»), которые называют u-, d-, s-кварки. Каждый из них имеет спин 1/2, а вот заряд, как ни странно, равен не целому заряду электрона, а одной или двум его третям. Так же как частицам соответствуют античастицы, каждому кварку соответствует антикварк. Все барионы состоят из трёх кварков; например, протон содержит два u-кварка и один d-кварк, а нейтрон – два d-кварка и один u-кварк. Мезоны же состоят из кварков и антикварков; например, ?-мезон состоит из одного u-кварка и одного d-кварка.

u u d_p d d u_n u d_?⁺

Теория была превосходна; она полностью объясняла восьмеричный метод и предсказывала строение всех известных частиц. Третий кварк, s-кварк, использовался только для описания структуры странных частиц, а обычные частицы содержали лишь u- и d-кварки. Однако, несмотря на все успехи, оставался ряд трудностей. Одна из основных проблем заключалась в том, что кваркам приписывался спин 1/2, следовательно, они должны были подчиняться так называемой статистике Ферми-Дирака. Согласно этой статистике одинаковое энергетическое состояние могут иметь только две частицы с противоположно направленными спинами. Однако ?^--частица согласно теории должна была содержать три s-кварка, находящихся в одном и том же энергетическом состоянии.

Эту трудность удалось преодолеть в 1964 году, когда О. Гринберг выдвинул предположение о том, что каждый из трёх ароматов кварков подразделяется на три разновидности. Сейчас их называют цветом, хотя они не имеют ничего общего с обычным цветом. Цвет – аналог заряда или нечто подобное заряду

Квантовая электродинамика

электрон, заряд, фотон,

Квантовая хромодинамика

кварк, цвет, глюон,

После детальной проработки предложения Гринберга учёным удалось преодолеть не только трудности, связанные со статистикой, но и ряд других. В новом варианте теории барионы по-прежнему состоят из кварков трёх различных ароматов, но теперь каждый из кварков имеет свой цвет; т.е. кварки обладают как зарядом, так и цветом. Существенно, однако, что три цвета в сумме должны давать белый, поскольку частицы не окрашены. Мезоны также по-прежнему состоят из кварка и антикварка, но таких, которые в сумме дают белый цвет. Подобно тому как заряды противоположных знаков дают в итоге нейтральную частицу, цвет и антицвет дают неокрашенную частицу (три цвета тоже могут взаимно нейтрализовывать друг друга).