Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Если такая интерпретация конфайнмента кварка правильна, то она обеспечивает оригинальный способ завершения якобы бесконечной регрессии все более мелких структур материи. Атомы можно разложить на электроны и ядра, ядра — на протоны и нейтроны, протоны и нейтроны — на кварки, но теория конфайнмента кварка говорит о том, что здесь цепочка прерывается. Сложно представить, каким образом частица может иметь внутреннюю структуру, если она даже не может быть создана.
Кварки с одним и тем же ароматом, но различным цветом должны обладать всеми одинаковыми свойствами за исключением цвета; именно поэтому и была введена концепция цвета. Однако кварки, которые отличаются по цвету, обладают достаточно отличными свойствами. Именно из-за разных электрических зарядов и- и d-кварка протон имеет заряд, а нейтрон — нет. Аналогично, из-за значительно большей массы s-кварка по сравнению с массами и- или d-кварков, странные частицы обычно являются самыми тяжелыми членами своих семейств. Очарованный кварк, с, должен быть еще тяжелее, следовательно и очарованные частицы, как правило, бывают тяжелее всех прочих. Именно аромат кварков, а не их цвет вносит разнообразие в мир адронов.
Как мы видели, сильные взаимодействия никак не влияют на ароматы кварков. Однако при слабом взаимодействии кварк может поменять свой аромат (но не цвет). Слабые взаимодействия также связывают кварки с лептонами. Классическим примером такого взаимодействия является ядерный бета-распад, в процессе которого нейтрон превращается в протон и происходит эмиссия электрона и антинейтрино. Если гово- 175 Кварки с цветом и ароматом
рить на языке кварков, то данная реакция представляет собой превращение d-кварка в и-кварк, сопровождаемое эмиссией двух лептонов.
Считается, что слабые взаимодействия, равно как сильные и электромагнитные, переносят векторные бозоны. Главный из этих бозонов, W, в течение долгого времени называемый промежуточным векторным бозоном, был предсказан в 1938 году Хидеки Юкавой. Электрический заряд этого бозона равен -1, а от фотона и цветных глюонов он отличается наличием массы, причем довольно большой массы. Кварки способны изменять свой аромат, испуская или поглощая W-частицу. Бета-распад, например, интерпретируется как эмиссия W d-кварком, вследствие которой этот кварк превращается в и-кварк; затем W распадается, в результате чего образуются электрон и антинейтрино. Из этого процесса следует, что W также может взаимодействовать с лептонами, что создает связь между двумя группами этих предположительно элементарных частиц.
Поскольку сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия переносятся одной и той же частицей — бозоном со спином 1, — возникает идея, что все эти взаимодействия могут иметь общую основу в какой-то простой и единой теории. Шагом в направлении подобного объединения стало бы примирение слабых и электромагнитных взаимодействий. Юлиан Швингер из Гарвардского университета попытался добиться подобного объединения в середине пятидесятых годов (когда я был одним из его аспирантов и работал над теми же вопросами). Его теория имела серьезные недостатки. Один из них был устранен в 1961 году, когда с целью дополнения электрически заряженного W я ввел второй нейтральный векторный бозон, который теперь называют Z. Остальные трудности оставались неразрешенными в течение еще 10 лет, пока в 1967 году Стивен Вайнберг из Гарварда и Абдус Салам из Международного центра теоретической физики в Триесте независимо друг от друга не предложили решение. К 1971 году, главным образом благодаря работе Герардуса т' Хоофта из Утрехтского университета, с правильностью гипотезы Вайнберга - Салама согласились все.
Благодаря единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий кварки и лептоны оказались тесно связанными друг с другом. Эти взаимодействия «видят» четыре лептона и различают три кварко-вых аромата. W-частица может превратить одну разновидность нейтрино в электрон, а другую — в мюон. Кроме того, W может превратить и-кварк в d-кварк; она может оказать влияние и на превращение и-кварка в s-кварк, хотя и менее охотно.
Отсутствие симметрии в этих отношениях очевидно. Лептоны состоят из двух пар, связанных слабым взаимодействием: электрон с элек- 176
Кварки с цветом и ароматом
тронным нейтрино и мюон с мюонным нейтрино. С другой стороны, кварки имеют всего три аромата, так что один из них должен остаться без пары. Эту схему можно было бы улучшить при наличии четвертого аромата кварка, который мог бы стать партнером для оставшегося без пары. Тогда и кварки, и лептоны состояли бы из двух пар частиц, причем каждый член пары мог бы превратиться в другого члена той же пары, просто испустив W. Желательность такой лептонно-кварковой симметрии привела к тому, что мы с Джеймсом Бьеркеном, а также другие ученые в 1964 году постулировали существование четвертого кварка. Мы с Бьеркеном назвали его очарованным кварком. Если кваркам приписываются цвета, то очарование становится четвертым кварковым ароматом, и возникает необходимость в новом триплете цветных кварков. Таким образом, всего получается 12 кварков.
