Вісімкова дорога всесвіту

Сучасна Стандартна модель елементарних частинок була побудована після того, як вчені виявили особливі субатомні частинки - кварки і створили кваркову модель адронів. Одним з першовідкривачів кварків був Маррі Гелл-Манн, який пішов з життя кілька днів тому. Ми вирішили розповісти детальніше про те, як фізики прийшли до цих відкриттів і що вони змінили в нашому уявленні про будову Всесвіту.

Поява дивних частинок

Після Другої Світової війни картина мікроміру виглядала просто і зрозуміло. Нуклони (протони і нейтрони) та електрони входили до складу атомів, а передбачені в 1935 році і відкриті через дванадцять років піони (пі-мезони, як їх тоді називали) відповідали за тяжіння нуклонів в атомних ядрах.

Передбачені ще до піонів, але ще не детектовані нейтрино були настільки потрібні для пояснення бета-розпадів атомних ядер, що їх існування не викликало сумнівів. Кожній частинці належала античастинка, і деякі з них вже були виявлені.

Не при ділі залишилися лише мюони, важкі і вкрай нестабільні аналоги електронів, які народжувалися при розпадах заряджених піонів і перетворювалися на нейтрино і електрони або позитрони. Фізики не дуже розуміли, чому піони не породжують ці стабільні частинки без проміжної інстанції в особі мюонів, що розпадаються.

Ця модель субатомного світу ненадовго пережила відкриття піонів. Початок її краху поклала стаття манчестерських фізиків Джорджа Рочестера і Кліффорда Батлера, опублікована 1947 року в журналі. Вивчаючи космічні промені за допомогою камери Вільсона, вони помітили на одній з фотографій пару треків із загальним початком. Оскільки в магнітному полі ці треки розходилися як латинське V, Рочестер і Батлер зрозуміли, що вони породжувалися зарядженими частинками різних знаків (пізніше з'ясувалося, що це були піони).

Співавтори припустили, що незвичайні треки - слід розпаду невідомої частинки з нульовим зарядом, яка не залишила сліду у вільсонівській камері. Розрахунки показали, що її маса становить близько 500 мегаелектронвольт, що в тисячу разів більше маси електрону. Не мудруючи лукаво, першовідкривачі нарекли її просто V-частинкою.

Маррі Гелл-Манн народився 15 вересня 1929 року в Нью-Йорку, точніше в Бронксі. Він був молодшим сином єврейських іммігрантів, які приїхали до США із західноукраїнського міста Чернівці, що входило тоді до складу Австро-Угорщини. Після прибуття в Америку його батько, викладач, а потім банківський службовець, змінив прізвище Гельман на Gell-Mann. У нью-йоркській приватній школі Columbia Grammar, куди Маррі потрапив завдяки чесно заробленій стипендії, він злив ходячою енциклопедією, що й немудрено - він любив і знав історію, археологію, лінгвістику, ботаніку, зоологію, музику - і, природно, математику. У дитинстві він особливо захопився орнітологією і зберіг цю пристрасть у зрілі роки. Як і належить вундеркінду, Гелл-Манн закінчив школу в 14 років, а в 18 отримав диплом бакалавра Єльського університету. Через три роки він захистив докторську дисертацію в Массачусетському технологічному інституті, виконану під керівництвом блискучого фізика-ядерника Віктора Вайскопфа, одного з ключових усастників Манхеттенського проекту. Потім Гелл-Манн попрацював у принстонському Інституті фундаментальних досліджень, куди його залучив Роберт Оппенгеймер, і в Чиказькому університеті, де йому пощастило стати асистентом великого Енріко Фермі. У 1955-93 роках Гелл-Манн був професором Калтеха. У 1969 році він став нобелівським лауреатом - на додаток до інших численних нагород, постів і почесних звань. Він опублікував, один або в співавторстві, три книги і майже півтораста статей, з яких 11 вважаються класичними.

Це був лише початок. У 1949 році Сесіл Пауелл і його колеги з Брістольського університету, які теж вивчали космічні промені, виявили на фотоемульсії слід зарядженої частинки такої ж маси, що дала початок не двом, а трьом піонам. Пізніше з'ясувалося, що і вона, і V-частинка Рочестера і Батлера - різні представники сімейства з чотирьох частинок, названих К-мезонами, або каонами.

Два заряджених кайони мають масу 494 мегаелектронвольт, а два нейтральних - 498 мегаелектронвольт. Цікаво, що Рочестер з Батлером у 1947 році також спостерігали рідкісний розпад позитивного каону на позитивний і нейтральний піони, але не змогли його інтерпретувати. Більш того, найперше спостереження події за участю каона мало місце в 1943 році, проте ця інформація з'явилася в друку тільки після війни.

Далі - більше. У 1950 і 1951 роках співробітники Мельбурнського і Манчестерського університетів повідомили про відкриття в космічних променях частинки важчі за протон і нейтрон. Вона теж не мала електричного заряду і розпадалася на протон і негативний піон, які знову-таки розходилися по V-подібних треках. Для її назви задіяли грецьку букву ^ (лямбда).

Нові частинки виглядали загадково. Вони виникали в процесах сильних ядерних взаємодій і при цьому самі розпадалися на сильно взаємодіючі частинки вже відомих типів.

Це стало абсолютно ясно, коли в 1953 році в Брукхейвенській Національній лабораторії запрацював перший у світі прискорювач-мільярдник Космотрон, що дозволив у достатку отримувати і каони, і Лід-частинки. Однак час їхнього життя становив 10^-10 - 10^-13 секунд, а тодішня теорія обмежувала його 10^-23 секундами. Більш того, вони з'являлися тільки парами і ніколи поодинці.

Для пояснення цієї загадки Гелл-Манн і японці Тадео Накано і Казухіко Нішидзіма в тому ж 1953 році запропонували приписати цим частинкам нове квантове число, яке Гелл-Манн назвав дивністю. За визначенням, дивина «колишніх» адронів, тобто протонів, нейтронів і піонів, дорівнювала нулю.

Розглянемо цю схему на прикладі виникнення нейтрального каона і Лід-частинки при зіткненні протона і негативного піону. Коли скоро сума дивацтв вихідних частинок нульова, такою ж вона повинна бути у частинок-нащадків. Так буде, якщо приписати каону дивина плюс один, а Лід-частинці - мінус один. Аналогічно інтерпретують і інші подібні реакції.

У 1950-ті роки були відкриті ще дві групи дивних частинок важче протона. Це три сигма-частинки, Лід ⁺, Стіп^- і  з масами близько 1190 мегаелектронвольт і дві частинки (негативно заряджена і нейтральна) з масою близько 1320 мегаелектронвольт, позначених грецькою літерою  (ксі).

Аналіз їхніх розпадів показав, що членам триплету Лід-частинок треба приписати дивина мінус 1, а кожній з частинок -дублета - мінус два. Тоді ж було показано, хоча і не цілком достовірно, що всі дивні частинки важче протона володіють половинним спином - отже, є ферміонами.

Маррі Гелл-Манн

wikimedia commons