Современная Стандартная модель элементарных частиц была построена после того, как ученые обнаружили особые субатомные частицы — кварки и создали кварковую модель адронов. Одним из первооткрывателей кварков был Марри Гелл-Манн, ушедший из жизни несколько дней назад. Мы решили рассказать подробнее о том, как физики пришли к этим открытиям и что они изменили в нашем представлении о строении Вселенной.
Появление странных частиц
После Второй Мировой войны картина микромира выглядела просто и понятно. Нуклоны (протоны и нейтроны) и электроны входили в состав атомов, а предсказанные в 1935 году и открытые спустя двенадцать лет пионы (пи-мезоны, как их тогда называли) отвечали за притяжение нуклонов в атомных ядрах.
Предсказанные еще до пионов, но еще не детектированные нейтрино были настолько нужны для объяснения бета-распадов атомных ядер, что их существование не вызвало сомнений. Каждой частице полагалась античастица, и некоторые из них уже были обнаружены.
Не при деле остались лишь мюоны, тяжелые и крайне нестабильные аналоги электронов, которые рождались при распадах заряженных пионов и превращались в нейтрино и электроны или позитроны. Физики не очень понимали, почему пионы не порождают эти стабильные частицы без промежуточной инстанции в лице распадающихся мюонов.
Эта модель субатомного мира ненадолго пережила открытие пионов. Начало ее краху положила статья манчестерских физиков Джорджа Рочестера и Клиффорда Батлера, опубликованная в 1947 году в журнале . Изучая космические лучи с помощью камеры Вильсона, они заметили на одной из фотографий пару треков с общим началом. Поскольку в магнитном поле эти треки расходились как латинское V, Рочестер и Батлер поняли, что они порождались заряженными частицами разных знаков (позже выяснилось, что это были пионы).
Соавторы предположили, что необычные треки — след распада неизвестной частицы с нулевым зарядом, не оставившей следа в вильсоновской камере. Расчеты показали, что ее масса составляет около 500 мегаэлектронвольт, что в тысячу раз больше массы электрона. Не мудрствуя лукаво, первооткрыватели нарекли ее просто V-частицей.
Марри Гелл-Манн родился 15 сентября 1929 года в Нью-Йорке, точнее в Бронксе. Он был младшим сыном еврейских иммигрантов, приехавших в США из западноукраинского города Черновцы, входившего тогда в состав Австро-Венгрии. По прибытии в Америку его отец, преподаватель, а потом банковский служащий, изменил фамилию Гельман на Gell-Mann. В нью-йоркской частной школе Columbia Grammar, куда Марри попал благодаря честно заработанной стипендии, он слыл ходячей энциклопедией, что и немудрено — он любил и знал историю, археологию, лингвистику, ботанику, зоологию, музыку — и, естественно, математику. В детстве он особенно увлекся орнитологией и сохранил эту страсть в зрелые годы. Как и положено вундеркинду, Гелл-Манн окончил школу в 14 лет, а в 18 получил диплом бакалавра Йельского университета. Спустя три года он защитил докторскую диссертацию в Массачусетском технологическом институте, выполненную под руководством блестящего физика-ядерщика Виктора Вайскопфа, одного из ключевых усастников Манхеттенского проекта. Затем Гелл-Манн поработал в принстонском Институте фундаментальных исследований, куда его привлек Роберт Оппенгеймер, и в Чикагском университете, где ему посчастливилось стать ассистентом великого Энрико Ферми. В 1955-93 годах Гелл-Манн был профессором Калтеха. В 1969 году он стал нобелевским лауреатом — в дополнение к прочим многочисленным наградам, постам и почетным званиям. Он опубликовал, один или в соавторстве, три книги и почти полтораста статей, из которых 11 считаются классическими.
Это было лишь начало. В 1949 году Сесил Пауэлл и его коллеги из Бристольского университета, тоже изучавшие космические лучи, обнаружили на фотоэмульсии след заряженной частицы такой же массы, давшей начало не двум, а трем пионам. Позже выяснилось, что и она, и V-частица Рочестера и Батлера — различные представители семейства из четырех частиц, названных К-мезонами, или каонами.
Два заряженных каона имеют массу 494 мегаэлектронвольт, а два нейтральных — 498 мегаэлектронвольт. Интересно, что Рочестер с Батлером в 1947 году также наблюдали редкий распад положительного каона на положительный и нейтральный пионы, но не смогли его интерпретировать. Более того, самое первое наблюдение события с участием каона имело место в 1943 году, однако эта информация появилась в печати только после войны.
Дальше — больше. В 1950 и 1951 годах сотрудники Мельбурнского и Манчестерского университетов сообщили об открытии в космических лучах частицы тяжелее протона и нейтрона. Она тоже не имела электрического заряда и распадалась на протон и отрицательный пион, которые опять-таки расходились по V-образным трекам. Для ее названия задействовали греческую букву Λ (лямбда).
Новые частицы выглядели загадочно. Они возникали в процессах сильных ядерных взаимодействий и при этом сами распадались на сильно взаимодействующие частицы уже известных типов.
Это стало совершенно ясно, когда в 1953 году в Брукхейвенской Национальной лаборатории заработал первый в мире ускоритель-миллиардник Космотрон, позволивший в изобилии получать и каоны, и Λ-частицы. Однако время их жизни составляло 10-10 — 10-13 секунд, а тогдашняя теория ограничивала его 10-23 секундами. Более того, они появлялись только парами и никогда поодиночке.
Для объяснения этой загадки Гелл-Манн и японцы Тадео Накано и Казухико Нишидзима в том же 1953 году предложили приписать этим частицам новое квантовое число, которое Гелл-Манн назвал странностью. По определению, странность «прежних» адронов, то есть протонов, нейтронов и пионов, равнялась нулю.
Рассмотрим эту схему на примере возникновения нейтрального каона и Λ-частицы при столкновении протона и отрицательного пиона. Коль скоро сумма странностей исходных частиц нулевая, такой же она должна быть у частиц-потомков. Так будет, если приписать каону странность плюс один, а Λ-частице — минус один. Аналогично интерпретируют и прочие подобные реакции.
В 1950-е годы были открыты еще две группы странных частиц тяжелее протона. Это три сигма-частицы, Σ+, Σ- и Σ0 с массами порядка 1190 мегаэлектронвольт и две частицы (отрицательно заряженная и нейтральная) с массой около 1320 мегаэлектронвольт, обозначаемых греческой буквой Ξ (кси).
Анализ их распадов показал, что членам триплета Σ-частиц надо приписать странность минус 1, а каждой из частиц Ξ-дублета — минус два. Тогда же было показано, хотя и не вполне достоверно, что все странные частицы тяжелее протона обладают половинным спином — следовательно, являются фермионами.
Марри Гелл-Манн
wikimedia commons