Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Вскоре было обнаружено, что цвет важнее аромата. Фундаментальным триплетом является не аромат, а цвет (позже мы увидим, что аромат нельзя считать триплетом). Благодаря этому результату удалось сделать существенный шаг вперёд – создать локальную калибровочную теорию, а во всякой такой теории, как известно, должна быть частица-переносчик. Эту новую частицу назвали глюоном (от английского слова «glue» – «клей», эти частицы как бы склеивают нуклоны и не дают им распасться). Глюоны также окрашены, имеют равный единице спин и, подобно фотонам, лишены массы; правда, в отличие от единственного фотона, они подразделяются на восемь различных типов. Другим отличием является то, что благодаря цвету глюоны взаимодействуют между собой, а не имеющие заряда фотоны не взаимодействуют друг с другом.

Подобно тому как мы изображали электрон окружённым виртуальным облаком, кварки можно представлять себе окутанными облаками виртуальных глюонов. Однако при этом есть отличие – предполагается, что кварки заключены в «мешки». Протон, например, можно рассматривать как мешок, содержащий два u- и один d-кварк. Каждый из кварков в мешке окружён своим собственным облаком. Протон-протонное взаимодействие можно представить как сближение двух мешков с кварками, которые на достаточно малом расстоянии начинают обмениваться глюонами.

Здесь читатель вправе указать на возникающее затруднение: раньше мы говорили, что сильное взаимодействие вызывается обменом мезонами, при чём же тут глюоны? Сейчас принято считать, что частицами-переносчиками служат глюоны, хотя выглядит всё так, как если бы взаимодействовали мезоны. На ум приходит аналогия с взаимодействием молекул – принято говорить о ковалентных силах, действующих между атомами, хотя на самом деле это электромагнитные силы. Одной из проблем теории является запирание («конфайнмент») кварков и глюонов. Почему, несмотря на многочисленные попытки, так и не удалось ни разу наблюдать свободный кварк или глюон? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вернуться к введённой ранее модели кваркового мешка. Предположим, что мы пытаемся вытащить из мешка один из кварков. При этом, согласно теории, образуется цепочка глюонов, так называемая струна, с мезоном на конце. Чем сильнее тянуть кварк, тем сильнее он будет сопротивляться вытаскиванию из мешка. При электромагнитном взаимодействии всё обстоит наоборот – чем меньше расстояние между заряженными частицами, тем больше действующая на них сила, ослабевающая по мере разъединения частиц. В случае глюонов, по мере увеличения длины струны сила возрастает. (Именно такое явление наблюдалось в упоминавшихся ранее экспериментах на Станфордском ускорителе – учёные обнаружили, что точечный заряд как будто заперт внутри протона, и чем сильнее сдвигали заряд, тем больше была сила связи.)

А что будет, если струну всё-таки удастся разорвать? Согласно теории, в месте разрыва появятся кварк и антикварк, т.е. оторванный кусочек струны будет состоять из кварка и антикварка (соединённых глюонами), которые, как известно, в сумме дают мезон. Другими словами, при попытке вытащить из протона кварк получается мезон, который, естественно, и наблюдается на опыте. При бомбардировке протонов достаточно энергетичными частицами образуются мезоны.

Хотя теория цветов позволила добиться значительных успехов, не всё в ней нравилось Шелдону Глэшоу. В то время было известно четыре лептона, но лишь три кварка, и Глэшоу решил, что между двумя видами частиц должна существовать симметрия.

Пути в науку Глэшоу и Вайнберга во многом похожи. Оба они учились в одном классе в школе Бронкса, оба закончили Корнеллский университет, оба через несколько лет оказались в Гарварде. Несмотря на такое сходство биографий, люди они совсем разные – Глэшоу открыт и общителен, Вайнберг сдержан и замкнут.

Глэшоу считал, что должен быть четвёртый кварк со свойством, аналогичным странности. Он назвал новую характеристику очарованием, а соответствующий кварк – очарованным. Первые свидетельства существования нового кварка последовали почти одновременно из двух разных лабораторий. Первыми его обнаружила группа учёных из Брукхейвена под руководством Сэмьюэла Тинга. Но Тинг работал очень тщательно и потратил много времени на проверку полученного результата. Тем временем ту же частицу открыли на другом побережье, в Станфорде, учёные под руководством Бертона Рихтера. Обе группы обнаружили не сам очарованный кварк, а частицу, состоящую из очарованного кварка и его античастицы. Группа Тинга назвала её J, а группа Рихтера – ? (пси); сейчас её именуют ?/J-частицей.

Итак, четвёртый кварк был обнаружен, но вскоре оказалось, что найден ещё один лептон, и для сохранения симметрии теперь требуется пятый кварк. Физики назвали его b-кварком, и вскоре удалось найти частицу, являющуюся комбинацией b-кварка и его антикварка. Эту частицу назвали ? (ипсилон). Так как без сомнений ей соответствует нейтрино, видимо, должен быть ещё один кварк, который назвали t (он был обнаружен в 1984 году). Итак, вот что мы имеем: