В конце 1974 г. одновременно в двух лабораториях была открыта новая частица, свойства которой оказались таковы, что их не удалось объяснить в рамках трехкварковой модели. Для интерпретации этих свойств потребовалось ввести четвертый кварк – с-кварк, названный очарованным ( от слова charm – очарование).

с-Кварк оказался вполне равноправной частицей по отношению к остальным трем кваркам. Комбинируя с-кварк с антикварками u, d, s, можно получить новые мезоны, которые были названы очарованными.

В настоящее время уже обнаружены представители всех очарованных мезонов и некоторые очарованные барионы. На этом основании, казалось бы, можно было считать, что кварковая модель достигла совершенства, т.е. описывает все существующие частицы и не конструирует лишних, не встречающихся в природе.

b-Кварк (прелестный)

Однако, в 1977 г. была открыта еще одна частица, названная ипсилон-мезоном, свойства которой не укладывались в четырехкварковую модель. Новый, пятый кварк b, названный прелестным (от слова beauty – прелесть, иногда название b-кварка производят от слова botom – низ).

t-Кварк (правдивый)

Наконец, имеются основания считать, что должен существовать еще и шестой кварк t, названный правдивым (от слова truth) или верхним (от слова top). Одним из таких оснований является предсказываемая теорией электрослабого взаимодействия симметрия в числе кварков и лептонов (которых открыто шесть).

ПОИСКИ КВАРКОВ

Являются ли кварки реальными частицами или просто математическими измышлениями, нужными только для классификации адронов, еще неясно. В начале 1970 г. в научных журналах было опубликовано несколько работ, авторы которых заявляли об обнаружении кварков в космических лучах, однако пока что это не подтверждено. Если кварки и в самом деле существуют в природе, то из этого факта мы сможем вывести целый ряд замечательных следствий. В частности, космогонические теории и теории источников энергии излучения звезд придется коренным образом пересмотреть. Далее, кварки смогут выступать в роли эффективных катализаторов ядерных реакций. Вполне возможно, что по крайней мере один из трех кварков окажется стабильным и не будет распадаться, а может быть, и все три кварка будут стабильными.

Природные и «самодельные» кварки

Успех кварковой модели и желание свести многообразие частиц к нескольким фундаментальным заставляют физиков искать кварки в природе.

Кваркам естественно приписать большую массу. Но рождение частиц с большой массой требует больших кинетических энергий, поэтому поиски кварков следует вести в таких условиях (естественно или искусственно созданных), когда имеется возможность трансформации большой порции кинетической энергии в энергию покоя (массу). Связь между массой кварка m q и минимальной кинетической энергией, бомбардирующей частицы Тмин, необходимой для рождения кварка этой массы, зависит от типа реакции, в которой образуется кварк. В соответствии с законами сохранения образование кварка может происходить только в паре с антикварком.

Минимальная энергия, необходимая для рождения кварка массой m q

m q m p 3m p 5m p 10m p 20m p

Тмин’m p c 6 30 70 240 880

Тмин’ ГэВ 5,6 28 65 225 825

Для реакции образования кварка при соударении двух протонов получается следующая зависимость Тмин от предполагаемого значения m q:

Тмин=2(m q /m p) (2m p + m q) c

В таблице приведены значения Тмин, вычисленные по данной формуле в разных предположениях о значении массы кварка. Существуют соображения, из которых следует, что при данной энергии Т могут рождаться частицы большей массы, чем указано в таблице (напр., при Т=30 ГэВ могут родиться кварки массой до 5m p). Однако вероятность такого процесса настолько мала, что его можно не учитывать в расчетах. Из таблицы видно, что кварки массой m q < 3 m p имеет смысл искать среди частиц, образующихся в мишенях ускорителей протонов на энергию 30 ГэВ, кварки массой m q < 5 m p - в мишенях ускорителей на энергию 70 ГэВ и т.д.

Для выделения кварков из огромного числа других, рождающихся в мишени ускорителя, можно воспользоваться их специфическими свойствами, обусловленными дробностью электрического заряда. Например, пониженной ионизирующей способностью. Ионизирующая способность заряженной частицы изменяется пропорционально квадрату ее электрического заряда. Так как кварки имеют заряд, равный 1/3 или 2/3 заряда электрона, ионизирующая способность кварков составляет соответственно 1/9 или 4/9 ионизирующей способности электронов. Такие опыты были действительно предприняты сначала на ускорителях в ЦЕРНе и в Брукхейвенской лаборатории, затем в Серпухове, а потом снова в ЦЕРНе на ускорителе протонов до энергии 400 ГэВ и в Батавии на ускорителе протонов до энергии 500 ГэВ, но они не дали положительного результата. Это означает, что либо масса кварков превышает 15 протонных масс, либо они рождаются с гораздо меньшей вероятностью, чем предполагали, либо, наконец, кварков в свободном виде нет вообще.

Кварки, рожденные космическим излучением

В составе космического излучения имеются протоны энергией выше 500 ГэВ. Эти протоны в соударениях с ядрами атмосферы могут рождать кварки, даже если их масса превышает 15 m p. Кварки, рожденные космическим излучением, можно пытаться регистрировать при помощи детекторов, чувствительных к ионизации, вызываемой быстродвижущимися частицами с дробным электрическим зарядом.

Камера Вильсона

Одним из таких детекторов может быть камера Вильсона, следы заряженных частиц в которой имеют вид цепочек из капелек жидкости. Эти капельки образуются в результате

Конденсации пересыщенного пара на ионах, возникающих вдоль траектории заряженной частицы. Ионизирующая способность кварка составляет 1/9 или 4/9 ионизирующей способности электрона. Поэтому плотность капелек на следе кварка должна быть в 9 раз меньше, чем на следе электрона. В свое время в печати появились работы, в которых сообщалось об обнаружении частиц с 50%-ной ионизирующей способностью. Однако впоследствии оказалось, что полученные результаты являются сильной флюктуацией ионизирующей способности обычной частицы с z=1.

Концентрация кварков в водных бассейнах Земли

Кварки пытаются «вылавливать» не только из падающего на Землю космического излучения, но и из земных водных бассейнов. Естественно считать, что кварки, возникающие при взаимодействии космических частиц с атомными ядрами атмосферы, становятся центрами конденсации водяных паров, падают вместе с дождем на землю и в конце концов попадают в озера, моря и океаны. Так как описанный механизм образования кварков действует постоянно, а распадаться они не могут*, концентрация кварков в водных бассейнах Земли должна непрерывно возрастать с течением времени.

* В связи с дробностью заряда можно предполагать, что по крайней мере один из кварков (с наименьшей массой) стабилен, т.к. ему не на что распадаться. (Более тяжелый кварк может превращаться в легкий без нарушения закона сохранения электрического и барионного зарядов.)

Оценки показывают, что за время существования Земли с помощью такого механизма могло накопиться до 100 000 кварков в каждом 1 куб.см воды. Но и в воде кварков не нашли!

Где еще ищут кварки?

Ищут кварки и в метеоритах, которые при достаточно больших размерах и длительном существовании в космическом пространстве могли накопить много кварков. Пытались обнаружить кварки при помощи опытов типа опыта Миллекена по определению заряда электрона. Но и здесь однозначных результатов получить не удалось.

Из того, что кварки не найдены, строго говоря, рано делать вывод об их отсутствии. Прошло еще слишком мало времени! Так что еще не все потеряно, тем более что результаты сделанных опытов не отрицают возможности существования кварков массой m q > 15 m p. Кстати, чем тяжелее кварки, тем заманчивее становится мечта их открыть. Ведь если протон «слеплен» из трех кварков массой 5m p каждый, то «энергия связи» протона равна: 14 m p c, или 13 ГэВ, т.е. в процессе образования протона из кварков должно освобождаться 14/15 = 93% энергии покоя кварков.

Во что верит большинство физиков в настоящее время?

Наконец, еще одна возможность, в которую в настоящее время верит большинство физиков, заключается в следующем: кварки существуют, но только в связанном состоянии внутри адронов. Вылететь из адронов и существовать в свободном виде кварки не могут.

Напомним, что адроны участвуют в электромагнитных, слабых и сильных взаимодействиях. Их можно сгруппировать в два больших семейства: семейство мезонов (спин 0,1 и т.д.) и семейство барионов (спин ½, 3/2 и т.д.). Название «адрон» означает «сильно взаимодействующая частица». Оказалось, что адроны можно более детально классифицировать, объединяя их в подсемейства (называемые супермультиплетами) по признаку одинаковости спина и четности входящих в подсемейство частиц.

ПЛЕНЕНИЕ КВАРКОВ ВНУТРИ АДРОНОВ

Цвет и аромат кварков

Пленение кварков внутри адронов является, пожалуй, главной трудностью кварковой модели. Другая трудность этой модели связана с тем, что она допускает барионные комбинации из трех тождественных кварков, находящихся в одинаковых состояниях. А это запрещено принципом Паули, согласно которому два (и тем более три) фермиона с одинаковыми квантовыми числами не могут находиться в одном и том же состоянии. Обе эти трудности удалось преодолеть введением еще одной характеристики кварков, которая условно называется ЦВЕТОМ .