Три кварка для вселенной
Сергей Овсянников запись закреплена
«Три кварка… для всей Вселенной»
Существование тесной взаимосвязи космоса с практически невидимым микромиром – самый загадочный аспект современной физики. Планеты и даже целые скопления небесных звёзд «разбросаны» по бескрайним просторам, подобно пылинкам и элементарным частицам. Казалось бы, это лишь метафоричная связь. Но уже в первую секунду возникновения Вселенной, всё её содержимое состояло именно из мельчайших частичек – кварков. Невероятно, но эфемерные кирпичики вещества — основной строительный материал всего мироздания. Всего 6 видов или ароматов кварков, соединившись, образуют атомы, молекулы и другие частицы, а затем — Макрокосмос. Устройство Вселенной учёным удалось изучить достаточно детально, а вот с элементарными крупинками веществ нередко возникают проблемы. Не так быстро они раскрывают свои тайны, как хотелось бы. Даже единую теорию, которая могла бы описать весь известный «зоопарк» частиц, до сих пор создать не удаётся. Насколько наши знания о микромире полны и достоверны? Как кваркам удалось создать галактики и на что ещё способны эти крошечные частицы? Об этом расскажут наши гости: кандидат физико-математических наук — Лев Владимирович Дудко и доктор философских наук, кандидат физико-математических наук — Аркадий Исаакович Липкин.
Источник
«Три кварка для мистера Марка». О странной странности странных кварков. А что, если гравитацию вывернуть?
Когда в 1964 году американский физик М. Гелл-Манн открыл странные частицы, он назвал их не менее странным словом «кварк», которое он позаимствовал из странной фразы «Три кварка для мистера Марка» в романе писателя Дж. Джойса. Странным было то, что заряд этих экзотических частиц был дробный. Их назвали соответственно u-кварк (Q=+2/3) и d-кварк (Q=-1/3). Физики ранее никогда не сталкивались с таким необычным, если не сказать, странным, семейством частиц.
К тому же, как выяснилось впоследствии, каждый кварк имел своё дробное барионное число (B=+1/3 для кварков и B=-1/3 для антикварков). Далее, семейство кварков стало пополняться. Был открыт странный s-кварк, который отличался от d-кварка тем, что имел особую характеристику – «странность», которая «работала» в сильном взаимодействии, и совершенно не «работала» в слабом.
Странной была и масса кварков. Даже в «лёгких» кварках, по-логике, масса верхнего u-кварка с большей величиной заряда, должна была бы быть больше нижнего d-кварка, однако, в действительности оказалось наоборот, масса d-кварка на несколько мегаэлектронвольт больше, чем масса u-кварка. В то же время, масса странного s-кварка оказалась ещё больше, чем массы «лёгких» (u-,d-) кварков.
Далее, каждый в своё время, были открыты с-кварк, b-кварк и t-кварк. Итого, всего открыто шесть кварков, которые, также как и лептоны, образуют три поколения (1-d,u; 2-s,c; 3-b,t). Причём, каждое последующее поколение в энергетическом эквиваленте оказывалось тяжелее своих предшественников. И у каждого кварка имеется своя особая характеристика (аромат). Все эти характеристики сохраняются в процессах сильного взаимодействия, а в процессах слабого взаимодействия некоторые из них могут и изменяться (а вот, почему это происходит, учёные до сих пор не знают).
Но это ещё не всё. Оказалось, что во избежание нарушения принципа Паули, каждый аромат (тип кварка) должен иметь три разных «цвета». Такие три цветовых состояния условно назвали красным (r), синим (b) и зелёным (g). Барионы, состоящие из трёх кварков разных цветов, в результате такого наложения образуют бесцветную, или «белую» частицу. Всё это похоже на то, что каждый кварк в некоем «цветовом» пространстве способен поворачиваться вокруг любой из осей соответствующего «цвета». И такие повороты, как оказалось, некоммутативны (т.е. зависят от очерёдности).
И вот что удивительно и странно. Если, к примеру, в нашем мире сила любого взаимодействия с расстоянием уменьшается, то в кварковом «цветовом» пространстве, наоборот. ТАМ, чем дальше от центра, тем взаимодействие сильнее. А возле самого центра взаимодействие настолько ослабевает, что учёные называют такое состояние кварков асимптотической «свободой». Это так называемая проблема конфайнмента кварков, которая, по-сути, есть проблема невылетания кварков (их не удаётся обнаружить в свободном состоянии вне ядра).
В чём же смысл наличия в кварках разных цветовых характеристик? Это важно и для понимания того факта, что разные «цвета» отвечают и за разное (каждый за своё) взаимодействие в рамках сильного взаимодействия. В чём секрет этой «радуги» кварков?
Для объяснения кварковой хромодинамики современная наука ошибочно вводит излишние сущности в виде струн – этаких пружинок, которые чем больше растягиваешь, тем сильнее они сжимаются. В этих струнах-трубочках якобы и располагаются глюонные локальные (калибровочные) поля.
Такая ошибочность проистекает от неразличения двух миров,- нашего классического (макро) и квантового (микро) мира (я писал об этом отдельную публикацию ). А если говорить в более общих категориях, то современная физика не воспринимает кватернионную структуру нашего пространства. Апогеем для неё является пресловутый континуум пространства-времени. На основе такого «махрового эйнштейнианства» кварковые вопросы (как, впрочем, и любые вопросы современной физики) останутся неразрешимыми.
Кватернион предполагает одну действительную (r) и три мнимых (i,j,k) мерности пространства. Три мнимых компоненты кватерниона соответствуют лишь трём типам взаимодействия в нашем физическом мире,- i- электрическое, j- магнитное и k– гравитационное. Всё! Других взаимодействий в природе просто не существует. А как же сильное и слабое ядерные взаимодействия? А вот тут начинается самое интересное.
Мостом между нашим классическим макро-миром (описывается системой вещественных чисел) и квантовым микро-миром (описывается системой комплексных чисел) является ультраметрика (описывается системой р-адических чисел). Если говорить очень условно и образно, то ультраметрика возникает когда кватернион «выворачивается». Все мерности пространства, проходя через Бесконечность обращаются в свои антиподы. Т.е. в ультраметрике «выворачиваются» не только наши расстояния (ТАМ не работает аксиома Архимеда-Евдокса, ибо ТАМ меньшее расстояние содержит большее), но и мнимые взаимодействия (будучи в числителе, любая сущность ТАМ идёт в знаменатель).
Выворачиваясь, наши привычные взаимодействия становятся ТАМ системой «цветовых» зарядов кварков (красный – вывернутое электрическое взаимодействие, синий – ультрамагнитное, и зелёный – ультрагравитационное). И ведут они себя ТАМ необычным для нас образом. Если в нашем мире любое взаимодействие с увеличением расстояния уменьшается, то в ультраметрике, наоборот – УВЕЛИЧИВАЕТСЯ. Поэтому, чем ближе к периферии, тем «цветные» ультравзаимодействия сильнее. А в Центре, наоборот, будет наблюдаться их ослабление вплоть до того, что возникнет ощущение кварковой ассимптотической свободы. Причём, все три ультракомпоненты вносят свой вклад в так называемое сильное ядерное взаимодействие. Поэтому, на вопрос, есть ли гравитация внутри атомного ядра, должно отвечать,- конечно ЕСТЬ, но она ДРУГАЯ. Переведённая в знаменатель, ультрагравитация атомного мира сильнее ультрамагнетизма, который, в свою очередь, сильнее ультраэлектрического взаимодействия.
А что же слабое ядерное взаимодействие? Каков его источник? Основным свойством ультраметрики является так называемое «сильное неравенство треугольника». В ультраметрическом пространстве любые треугольники (или, как иногда называют их учёные, — симплексы или мультиплексы) могут быть только либо равносторонние, либо с двумя бОльшими и одной мЕньшей сторонами. Существование симплекса с одной бОльшей и двумя мЕньшими сторонами ТАМ запрещено. Именно поэтому структура протона (+2/3, +2/3, -1/3) соответствует «сильному неравенству треугольника», а структура нейтрона (-1/3, -1/3, +2/3) – нет. Поэтому протону находиться в свободном состоянии (вне ядра) разрешено, а вот нейтрону – нет (вне ядра он быстро распадается). Именно в этом кроется причина радиоактивности и так называемого слабого взаимодействия.
PS. Наши учёные ядерщики, специалисты по квантовой хромодинамике накопили достаточный опыт по предсказанию поведения квантовых систем. Им бы ещё правильную интерпретацию, цены б им не было. А для этого нужно сначала вынести Эйнштейна из мавзолея.
Источник
Ещё дальше в микромир: кварки
Когда ядро кувалдой разбиваешь,
Добыть пытаясь в нём какой-нибудь нейтрон —
Оттуда вдруг со страшным скрипом выползает
Частица анти-сигма-минус-гиперон.
Из физфаковской песни
Эта статья для тех, кто читал про элементарные частицы и ядерные реакции в «Квантиках» № 8 и № 9 за 2019 г. Раз вы уже так много узнали, нужно признаться вам ещё кое в чём. До сих пор у нас так получалось, что всё на свете состоит из протонов, нейтронов (объединённых в атомные ядра) и электронов. И это правда — почти. Всё вещество, с которым мы привыкли иметь дело, всё, что мы видим вокруг, действительно именно из них и состоит. Но всё же это не единственные на свете виды элементарных частиц. Если хорошенько поискать, найдутся и другие. И этих видов очень много! Если очень сильно стукнуть по ядру «кувалдой», оттуда элементарные частицы так и посыпятся. Всякие-разные мезоны, гипероны, совсем недолго живущие резонансы. Откуда они все берутся в ядре, если их там не было? И как стукнуть по ядру кувалдой? Точнее, что взять вместо кувалды, чтобы по такому маленькому ядру попасть?
На первый вопрос постараемся ответить чуть позже, а пока начнём со второго. В прошлой статье мы обсуждали атомные реакторы: там для разбивания ядер используют нейтроны. Это нужно для создания цепной реакции: среди осколков ядер много нейтронов, а отсутствие электрического заряда даёт им возможность спокойно «подобраться» к ядру — электрическое отталкивание не мешает. Но это годится, когда требуется много не очень сильных столкновений — ведь непрочные ядра урана или плутония и так готовы развалиться, только подтолкни. А нам нужно пусть всего несколько, но так, чтобы уж стукнуть так стукнуть! Для этого нейтроны не годятся: их, опять-таки из-за отсутствия заряда, очень трудно разогнать до большой скорости. Только если нагреть до каких-то совсем уж гигантских температур, но с таким нагретым веществом очень трудно справляться. Да и лететь они тогда будут куда попало, могут попасть совсем не в те ядра, в которые мы хотели. Гораздо лучше для этой цели иметь дело с протонами. Их удобно разгонять — достаточно просто поместить их в электрическое поле. Для этого нужно, грубо говоря, взять две параллельные металлические пластины и присоединить их проводами к полюсам батарейки — вот между пластинами и готово электрическое поле. Только батарейка для наших целей нужна очень мощная. Управлять пучком заряженных частиц тоже удобно: их легко заставить повернуть с помощью магнита. Когда пучок протонов готов, можно обстрелять им какую-нибудь мишень; часть протонов пролетит мимо, но некоторые ударятся в ядра мишени.
Но тут надо сказать, что когда протон очень быстрый, он не ударяется (говорят: рассеивается) обо всё ядро целиком, а влетает в ядро и стукается об один какой-то из его протонов или нейтронов. А раз так, можно сделать ещё лучше: не обстреливать неподвижную мишень быстрыми протонами, а разогнать два пучка частиц и направить навстречу друг другу! То-то сильный получится удар! Особенно если взять один пучок протонов, а другой — антипротонов. Помните? — У антипротонов заряд отрицательный, и электрическое отталкивание не будет мешать ему и встречному протону подлететь друг к другу поближе. Даже наоборот, электрическое притяжение поможет.
Такие установки, в которых разгоняются заряженные частицы (можно и электроны разгонять, не обязательно протоны), называются ускорителями. А установки, в которых разогнанные частицы сталкиваются друг с другом, называются ускорителями на встречных пучках, или коллайдерами: to collide по-английски — ‘сталкиваться’.
Ну хорошо, стукнем мы очень сильно протоном по антипротону (или по протону или нейтрону в ядре) — что же при этом произойдёт? А вот что: во все стороны полетит куча протонов, антипротонов и новых, незнакомых нам пока частиц. Откуда они все там взялись? Ответ такой: родились.
Мы привыкли к закону сохранения массы: материя просто исчезнуть не может. Если игрушка пропала — значит, она или её обломки лежат где-нибудь под шкафом. Даже если вода из стакана исчезла, мы понимаем, что она испарилась, и масса водяных паров в воздухе увеличилась на столько же, на сколько уменьшилась масса воды. Закон сохранения массы прекрасно работает в окружающей нас природе, но не годится, когда скорости близки к скорости света.
В этом случае сохранения массы уже нет; есть только сохранение энергии. И если энергии достаточно много, можно «из ничего» (на самом деле как раз «из энергии») делать что-то, например частицы. А масса — это только один из видов энергии, один из способов её хранения. Вам, возможно, попадалась на глаза красивая формула Эйнштейна: E = mc 2 . Она как раз об этом. С этой точки зрения, частица — это всего лишь определённый, хорошо упакованный кусок энергии. Правда, просто взять и сделать из ничего одну частицу нельзя. Есть всё-таки ещё другие ограничения — другие законы сохранения. Например, должен сохраняться электрический заряд. Поэтому сделать один протон нельзя. А вот пару протон — антипротон — пожалуйста! Если, конечно, достаточно энергии.
Чтобы породить при столкновении новую пару протон-антипротон, надо разогнать уже имеющиеся частицы «батарейкой» напряжением в миллиард (!) вольт. Пару электрон-позитрон породить гораздо легче, ведь они в 2000 раз легче протона — поэтому хватит «батарейки» в полмиллиона вольт. Самый мощный из существующих Большой адронный коллайдер на границе Швейцарии и Франции имеет «разгонную батарейку» напряжением в 7 тысяч миллиардов вольт! Так что при столкновении рождаются не одна-две, а сотни и тысячи частиц.
Некоторые из них легче протонов, другие — во много раз тяжелее. Одни заряжены, другие нет. Их открыто уже больше 300. Но все частицы, из которых состоит материя, кроме уже известных нам протонов, электронов и их античастиц, да ещё нескольких совсем-совсем легких, — нестабильны, то есть распадаются (превращаются во что-то другое) через короткое время. Для нейтрона это время, как вы, может быть, помните из прошлой статьи, около 15 минут. Для всех остальных частиц — намного меньше, это крошечные доли секунды.
Но как же теперь быть? Только мы решили, что всё на свете состоит всего из трёх сортов элементарных «кирпичиков» — а их, оказывается, снова целый зоопарк. Как в них разбираться?
Физики и тут придумали, как выйти из положения. Оказывается, всё это множество элементарных частиц состоит всего из нескольких видов ещё более элементарных частиц 1 .
А именно, все обнаруженные частицы можно разделить на две группы — лептоны и адроны 2 . Лептонов всего 12, и они ни из чего уже больше не состоят (по крайней мере, мы сейчас так думаем). Из них мы уже знакомы с четырьмя — электрон, нейтрино и их античастицы, позитрон и антинейтрино. Есть ещё мюон и таон (тау-лептон), похожие на электрон и имеющие такой же заряд, но более тяжёлые, и два соответствующих типа нейтрино — мюонное и тау. Плюс их античастицы. Все они не участвуют в сильных взаимодействиях, но участвуют в слабых — то есть в превращениях частиц друг в друга.
Таблица 1. Лептоны
И ещё античастицы: \(e\) + , \(μ\) + , \(τ\) + — заряд +1, \(\bar<ν>\)\(e\), \(\bar<ν>\)\(μ\), \(\bar<ν>\)\(τ\) — антинейтрино, заряд 0. Массы нейтрино неизвестны, есть только ограничения сверху.
А что же остальные, адроны, которых несколько сотен? Вот они все состоят из. кварков.
Кварков тоже всего 12, как и лептонов, и тоже половина из них — антикварки. Остаётся 6. И они тоже подразделяются, как и лептоны, на три пары, которые по свойствам похожи друг на друга, а отличаются массой. В каждой паре один из кварков имеет заряд плюс 2/3 заряда электрона (!), а другой — минус 1/3. У антикварков, как всегда, всё ровно наоборот.
Таблица 2. Кварки: их обозначения, английские и русские названия и заряды
Цветная линия показывает порядок возрастания массы. Обратите внимание, что заряды более тяжёлого и более лёгкого кварков в первом столбце «перепутаны» по сравнению с остальными столбцами.
Вот новости! До сих пор у нас дробных зарядов не было. И не будет! Кварки могут комбинироваться только в такие сочетания, в которых их суммарный заряд (в единицах заряда электрона) целый. И только в таких сочетаниях их можно наблюдать в природе. Эти сочетания и есть элементарные частицы; хоть они и состоят из кварков, но отдельный кварк из них выделить нельзя, невозможно разделить элементарную частицу на кусочки. Поэтому они всё-таки элементарные, несмотря на их внутреннюю структуру.
Удивительное свойство «пленения» кварков внутри частицы называется конфайнментом. Во всех уже изученных нами взаимодействиях чем дальше частицы оказываются друг от друга, тем слабее сила, притягивающая их друг к другу (или отталкивающая). А у кварков наоборот — чем дальше они отодвигаются друг от друга, тем сильнее притягиваются! И наоборот: чем ближе они друг к другу прижимаются, тем слабее взаимодействуют. Как и почему такое получается, пока не очень понятно.
Частицы, состоящие из двух кварков, называются мезонами. Точнее, они состоят из кварка и антикварка, иначе не получится целый заряд. Например, \(u\bar
Задача 1
А из каких кварков состоит античастица π + -мезона — π − -мезон? Из чего состоит K + -мезон, если он самый лёгкий из странных мезонов, а заряд у него +1? Адроны из трёх кварков называются барионами. Самый лёгкий барион — как раз протон: это комбинация uud.
π − -мезон: \(u\bar\).
Задача 2
Второй нестранный адрон — это нейтрон. Из каких кварков состоит он? Бывает ли антинейтрон?
Нейтрон: \(uud\). Антинейтрон — не то же самое, что нейтрон: \(\bar\bar
Задача 3
Гиперонами называют странные, но не очарованные (и тем более не прелестные) барионы. Сигма-гипероны — лёгкие. Индекс плюс или минус (или ноль) в обозначении и названии адрона соответствует знаку заряда. Что же такое анти-сигма-минус-гиперон? Отличается ли он от сигма-плюс-гиперона?
Сигма-минус-гиперон, Σ − : \(dds\), анти-сигма-минус-гиперон: \(\bar\). Другой гиперон с зарядом +1 — сигма-плюс-гиперон, Σ + : \(uus\).
Бывают ещё тетра— и пентакварки, состоящие из четырёх и пяти кварков. Но это уже совсем экзотика.
Кварки участвуют в сильном взаимодействии — собственно, их конфайнмент это как раз проявление сильного взаимодействия. И уж там, внутри адрона, это взаимодействие действительно сильное — его энергия во много раз больше энергии, заключённой в самих кварках. Из-за этого масса любого адрона много больше массы составляющих его кварков. Сильное взаимодействие, которое удерживает протоны и нейтроны в ядре, — это всего лишь жалкие «хвостики» тех сил, которые бушуют внутри них самих. И в слабом взаимодействии кварки тоже участвуют — иначе как бы могли в нём участвовать сделанные из них адроны? Легко догадаться, что уже знакомый нам по прошлой статье распад нейтрона — это превращение d-кварка в u-кварк: \(d\) → \(u\) + \(e\) − + \(\bar<ν>\)\(e\).
Теория кварков прекрасно объясняет многочисленные виды новых частиц, рождающихся в столкновениях при очень высоких энергиях. К сожалению, для понимания того, что творится в атомных ядрах при обычных «ядерных» энергиях — например, для понимания, как именно устроены ядерные силы или какие именно ядра устойчивы, а какие нет и почему, — она не очень помогает. Во всяком случае, и в «кварковой» теории, и в «обычной» ядерной физике ещё куча неотгаданных загадок. Подрастайте, некоторые из них вас дождутся!
Художник Мария Усеинова
1 Они называются фундаментальными.
2 Есть ещё несколько особых частиц — переносчиков взаимодействия. Здесь мы их обсуждать не будем.
Источник