Техника - молодёжи 2000-10, страница 21

СМЕЛЫЕ ГИПОТЕЗЫ

РЯДОМ - НЕИЗВЕСТНАЯ ВСЕЛЕННАЯ

Когда «элементарных» частиц стало много, теоретики бросились на поиски «более элементарных» сущностей для объяснения разнообразия ЭЧ. Сейчас кажется, что ответ лежал на поверхности: выделить их составляющие — субэлементарные частицы — и складывать из них все ЭЧ.

В 1961 г. М.Гелл-Манн и независимо от него Ю.Нейман создали теорию унитарной симметрии ЭЧ. В ней сильное взаимодействие инвариантно относительно специальных преобразований в некотором комплексном трехмерном пространстве. Унитарная симметрия расставляет в группы более широкие классы ЭЧ — октеты (8 частиц), декаплеты (10 частиц). Их можно составить из комбинаций трех различных кварков.

Понятие кварков ввели в оборот Г. Цвейг и независимо от него М.Гелл-Манн. Кварки

Симметризованный

глсктричсским гаряд +

к°

О

— это гипотетические частицы субэлементарного уровня, им приписываются дробные электрические заряды +2/3 и -1/3. У каждого кварка есть «антипод» — антикварк. Квантовые характеристики античастиц противоположны, поэтому электрические заряды антикварков равны -2/3 и +1/3.

На пороге XXI в. физике известны шесть кварков (u, d, s, с, b, t), составляющих элементарные частицы — мезоны (антикварк-кварк) и барионы (кварк-кварк-кварк).

Не все места в схемах систематизации Гелл-Манна были заполнены. На свободных местах могли существовать неизвестные в то время два кси-гиперона и один отрицательный омега-гиперон. Они вскоре

были экспериментально обнаружены, и это было триумфом теории. В 1969 г. Гелл-Манн получил Нобелевскую премию.

От частого употребления в научно-фан-тастической литературе понятие кварка становится привычным, но все равно остается загадочным по существу. У кварков есть свои имена: и — верхний, d — нижний, s — странный, с — очарованный, b — красивый, а последний t — (от англ. truth — истина) по-русски имеет смысл называть без перевода t-кварком.

Существование кварков в ЭЧ доказано со всей возможной точностью. В центрах нуклонов — протонов и нейтронов — найдены массивные локальные сгустки, весьма напоминающие кварки. Р.Фейнман предложил назвать их партонами (part — часть). С другой стороны, доказано, что кварки не могут встретиться в изолированном состоянии. Ни в одном из экспериментов не обнаружены величины зарядов частиц меньше единичного заряда электрона.

Известно, что ЭЧ обладают волновыми свойствами. Одна аналогия может пояснить, почему же кварки не могут самоизолироваться. Представьте себе волны на море. Назовем горб волны «морским кварком», а впадину за волной — антикварком. Объединение таких «кварков» приводит к аннигиляции — уничтожению того и другого. Поиск кварков уподобляется поиску горбов морских волн без впадин за ними.

Видимо, кварки являются отражением волновых состояний внутри частиц, не встречающихся изолированно. Такие волновые процессы математически могут описываться по-разному Целесообразность других описаний кварков и выделение из них более мелких структур определяется только ценностью используемой математической модели.

Несмотря на широкий фронт исследований кварков, в конце XX в. мы пока не получили ответа на важнейший вопрос — сколько же их существует в природе?

Если говорить в одной фразе о господствующей сейчас в физике модели кварков, то это — три пары близких по свойствам кварков. Такая схема не может ответить на ряд принципиальных вопросов.

Но в систематизации Гелл-Манна (далее ГМ) заложена прекрасная мысль: различные группы ЭЧ (мультиплеты) имеют внутреннюю структуру, зависящую от меньшего числа параметров. Основой появляющихся геометрических структур служат кварки. На рис.1 показана схема ГМ группы мезонов «антикварк-кварк», связанной с кварками u, d и s.

Здесь присутствует одновременно три параметра — электрический заряд Q, странность S и величина 1з, называемая «третьей проекцией изотопического спина». Смысл последней: если частица имеет только одно электрическое состояние, то ее параметр 1з=0. Для частиц с двумя зарядовыми состояниями (скажем, для мезона К+ и К-) 1з принимает значения 1/2, -1/2. Три зарядовых состояния приписываются пи-мезону Для него 1з равно 1, 0 или -1.

Три графика на рис. 1 в плоскости из двух координат означают, конечно, наличие математического уравнения связи Q=l3+Y/2. В таком виде оно называется уравнением Гелл-Манна и Нишиджимы. Величина Y названа обобщенным зарядом. Авторы считали Y=S, поскольку был известен только

Владимир ТВОРОГОВ, кандидат физико-математических наук, VladTvor@mail.ru

странный кварк, у которого S=-1. В конце XX в., сохраняя прежнюю форму записи, приходится считать обобщенный заряд Y сбором всех остальных квантовых чисел Y=S+C-b+T+B, где S — странность, С — очарование, b — красота, взятая со знаком минус, Т — квантовое число, отвечающее наличию в ЭЧ t-кварка, В — барионное число, для кварка равное 1/3.

Эта сумма не имеет точного физического эквивалента. В мезоне встречаются антикварк и кварк, поэтому могут быть задействованы не более двух слагаемых из четырех, остальные слагаемые — пустые, а это нонсенс. Отнесем таковую неточность в список замечаний к системе ГМ.

Возникают и другие вопросы. Рассматривая картинку мезонов, трудно понять, как дорисовать к ней другие кварки (с, b, t). С учетом декларируемой симметрии кварков s-c, симметрично для s должен где-то разместиться кварк с. Но в схеме ГМ места для с-кварка не видно.

На плоской схеме ГМ для мезонов вертикальная координата показывает число S — «странность» (равную в данном случае обобщенному заряду Y). Верхний ряд (К-мезоны) имеет два элемента, средний ряд (пи-мезоны) — три места, нижний ряд — опять два места для анти-К-мезо-нов. Возникает мысль, что здесь мы имеем дело с углами и диагоналями некоторых квадратов, которые, однако, непосредственно не представлены.

Преобразуем систематизацию ГМ в нечто иное: воспользуемся ножницами и разрежем схему ГМ на три малых листка (рис. 1, по штриховой линии). Центр, чтобы не потерять симметрии, придется дважды нарисовать на параллельных плоскостях.

После перемещения отрезанных кусочков складывается новая картинка (рис.2), в которой после добавления других известных кварков получим шесть матриц размера 3x3 с заполненными углами и сдвоенными центрами (рис.3 и 5). Обращает на себя внимание новое расположение нейтрального пи-мезона. Он освободил центр листа для «странных» частиц и получил для себя сразу два места.

Для того чтобы систематизация мезонов приобрела законченный вид, нужно отказаться от кварков как каркаса системы координат, перейдя к другим независимым переменным. Каким? Необходимая математическая конструкция появилась неожиданно. Она описывает симметричные системы со свойствами дополнения, названные Т-системами.

Однопараметрической Т-системой является цифровое телефонное табло (Т-табло, рис.4) с цифрами от 1 до 9, расположенны

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 10 2000