Как адроны классифицируются по угловому моменту? Как кварковая схема объясняет структуру матриц, в которые складываются адроны? Почему при столкновении адронов в ускорителе частиц рождаются новые адроны? О мире мезонов и барионов, свойствах кварков и адронных резонансах рассказывает доктор физико-математических наук Дмитрий Казаков.

Адроны — сильновзаимодействующие частицы. Когда-то адронов было мало: протон, нейтрон и пи-мезон, предложенный Юкавой. Но потом стало много, и понадобилась их классификация. Первая классификация, довольно очевидная, связана с угловым моментом. Оказалось, что все адроны имеют либо целый угловой момент, или спин, как его принято называть, либо полуцелый. Адроны с полуцелым угловым моментом называются барионы, а адроны с целым угловым моментом называются мезоны.

У нас есть мир барионов и мезонов. Протон, нейтрон — это барионы, пи-мезон — это мезон. Оказалось, что их очень много, и нужно было понять, как это все устроено, почему их много и как они строятся. Когда их стало около сотни, то эта классификация уже должна была не просто располагать их в классы, но и объяснить их свойства.

Оказалось, что существуют очень интересные математические схемы, в которые эти частицы вписываются. Это несколько неожиданно, и называется в математике теорией групп. Понятие группы в математике, конечно, нужно как-то объяснять, но интуитивно понятно: если есть какие-то преобразования, которые мы можем делать, например, повернуться на одной ноге вокруг себя, — это и есть преобразование, которое мы произвели; если повернуться один раз или повернуться второй раз, то это все равно что повернуться два раза — такого рода преобразования и называются преобразованием группы. Я немного примитивно объясняю, но на самом деле группы — это преобразования, которые можно сделать — одно и другое, и это эквивалентно третьему. Есть обратное преобразование — повернуться на ноге в обратную сторону, или единичное преобразование — вообще не поворачиваться. И это все образует то, что в математике называется группы.

Все группы классифицируются, их конечное число, у них есть определенный размер, определенные свойства. И оказалось, что все адроны можно математически проклассифицировать по теории групп. Существуют специальные группы матриц. Матрицы — это таблицы. Представим себе таблицы два на два элемента, два столбца и две строки, таблицы — это матрица. И оказывается, что есть такая группа преобразования матриц — и частицы, адроны, попадают в элементы этих матриц. Бывают таблицы два на два, бывают три на три, бывают четыре на четыре. Если правильно угадать группу, то мы можем сказать, сколько элементов в таблице. Значит, частицы должны сидеть в этих элементах. Если какой-то частицы нет, а таблица есть, значит, надо попробовать поискать новую частицу, которая в точности заполнит эту матрицу. Примерно по такому пути и пошли.

Эти таблицы, или матрицы, связаны с группой, которая носит название специальная унитарная унимодулярная группа с тремя элементами SU(3). Оказалось, что все частицы можно расставить по таблицам в соответствии с этой группой. Эти таблицы образуют восьмерки, девятки, десятки — и все частицы сидят в этих элементах. Оказалось, что все адроны можно таким удачным образом рассадить по этим элементам матриц. Таким образом, были предсказаны новые адроны, чтобы заполнить пустоты в этих таблицах.

Казалось бы, что мы наконец поняли, как устроен мир барионов и мезонов. Барионы в свои таблицы попадали, мезоны попадали в другие таблицы, и все вроде бы встало на свои места. Но потом неожиданно стали появляться некие частицы, которые в эти таблицы не попадали. Выяснилось, что таблицы неполны. С другой стороны, если таблицы есть, то за этим должно стоять более четкое понимание, и если частиц около сотни, то возникает такой же вопрос, который возникал в атомной физике: если атомов химических элементов около сотни, то, может быть, они состоят из чего-то более простого, из чего просто, как из кубиков, строятся эти элементы? Как атомные ядра: их около сотни, они строятся из протонов и нейтронов — нужно просто определенное количество протонов и нейтронов собрать, и получается атомное ядро. То же самое и с адронам.

Оказалось, что эти таблицы, эти симметрии, как их принято называть, связаны с тем, что есть более мелкие объекты, из которых можно построить адроны.

Сначала эти объекты воспринимались исключительно как математическая игрушка, потому что формировалась математическая группа. Эти объекты предложили два человека. Один из них предложил назвать их тузами. Вероятно, он любил карточные игры, и поэтому такая карточная терминология. Интересно, что, когда он написал научную работу и предложил классификацию всех адронов с помощью этих тузов, ее отказались публиковать в журнале, сказали, что карточная терминология не подходит. А другой предложил назвать их кварками. Кварк — это такое странное слово, оно происходит из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Там есть стихотворение, где говорится: «Три кварка для мистера Марка». Вот это странное слово «кварк» было взято Мюрреем Гелл-Манном, нобелевским лауреатом, который занимался этой классификацией. Другой физик, который предложил называть их тузами, Джордж Цвейг, — его терминология не прижилась.

Оказалось, что эту классификацию всех адронов можно понять, если предположить, что они состоят из более мелких частиц, называемых кварками. В тот момент кварков было три. Оказалось, что все барионы, то есть все адроны с полуцелым спином, строятся из трех кварков, а все мезоны, то есть частицы с целым спином, строятся из двух кварков. Все очень просто: есть три типа кварков, и из них строится весь мир, все сильновзаимодействующие частицы, одни — из трех кварков, другие — из двух кварков. Эта кварковая схема сразу объяснила структуру матриц, в которые складывались адроны, и получилось, что сильновзаимодействующие элементарные частицы на самом деле неэлементарные, они состоят из кварков.

Вскоре кварки были признаны реальными частицами, не просто математической схемой. Дело в том, что в опытах по рассеянию адронов на ускорителях, очень похожих на опыты Резерфорда, когда он бомбардировал фольгу и обнаружил атомное ядро, было обнаружено, что внутри барионов действительно есть три зернышка, три кварка, а внутри мезонов есть два зернышка, два кварка. То есть кварки — это действительно частицы, которые есть внутри. Но удивительное свойство этих частиц — они никогда не вылетают наружу. Это свойство еще не до конца понято, но оно установлено довольно точно — что эти частицы всегда находятся в пленении внутри адронов.

Мы знаем, что их три внутри бариона, но наружу они никогда не вылетают. Они связаны между собой очень большими силами, и когда пытаются разлететься в разные стороны, то силы, как пружинки, натягиваются и не пускают их. А если эта пружинка рвется, то на конце образуется новый кварк, и образуются новые адроны. Таким образом, из одного адрона при взаимодействии возникает много адронов, все они состоят из кварков. Мир адронов тем самым оказался понятым благодаря кварковой модели, которая сейчас получила большое развитие и подтверждение.

Долгое время было три типа кварков — их называли верхним, нижним и странным. Эти три кварка существовали, пока не были найдены новые частицы, которые не укладывались в схему, в матрицы. И для их объяснения понадобился четвертый кварк.

Эта история продолжалась и дальше, структура адронов стала вырисовываться довольно ясно: если они состоят из кварков, то надо просто перебрать все возможные комбинации и все эти комбинации должны существовать. Интересная вещь, что все адроны действительно состоят либо из двух, либо из трех кварков. Возникает вопрос: почему не из четырех или не из пяти? Такие адроны впоследствии тоже были открыты, хотя они открыты не столь достоверно, как обычные адроны, их называют экзотическими адронами. Это то, что сейчас является актуальной темой, — экзотические адроны, построенные из четырех, пяти или, может быть, шести кварков.

Что происходит с адронами, когда они сталкиваются на ускорителях? Большой адронный коллайдер, там сталкиваются адроны. В данном случае мы говорим о столкновении протонов. Протон — это простейший адрон, барион, он состоит из трех кварков. Что происходит, когда два адрона сталкиваются в ускорителях? Казалось бы, они должны расплющиться, кварки должны выйти наружу. Но этого не происходит в силу удивительного свойства кварков, в силу тех взаимодействий, которые связывают кварки друг с другом. Оказывается, что при столкновении двух адронов рождаются новые адроны. Эти новые адроны вылетают с большими скоростями в виде струй из большого количества адронов. В одном событии рождается огромное число частиц, и если энергия сходных протонов велика, то рождаются все новые и новые тяжелые адроны.

Оказалось, что некоторые частицы бывают очень тяжелыми, они примерно имеют массу среднего атома. Но все эти адроны оказываются недолгоживущими, и раз они являются тяжелыми, они, как правило, очень быстро распадаются. Время распада очень сильно разнится — от 10^-6 секунды до 10^-17–10^-18 секунды. Частицы, которые живут столько коротко, обычно называются резонансами. Их невозможно увидеть как обычные частицы, столь быстро они распадаются. Они просто наблюдаются в процессах, в исследовании в виде некоторых пиков их распределения по энергии. Таких адронных резонансов было открыто очень много, но все они попали под классификацию, о которой я говорил, все они попадают под эту схему, и все они состоят из кварков. И, зная кварковую структуру, можно говорить о свойствах этих частиц.

Возникает вопрос: нет ли чего-нибудь нового, нет ли каких-нибудь новых адронов, о которых мы ничего не знаем?

По мере увеличения энергии, по мере увеличения масс рождались и новые частицы. Но оказалось, что некоторые из них столь быстро распадаются, что просто не успевают существовать в виде связанных состояний кварков. Если мы говорим, что частица состоит из чего-то — скажем, адрон состоит из кварков, — это означает, что эти кварки связаны между собой, обычно говорят про связанные состояния. Так вот, эти связанные состояния могут просто не образоваться, если у них недостаточно энергии. И некоторые адроны на самом деле практически не существуют, поскольку связанных состояний не возникает. Не исключено, что мы уже достигли на ускорителях некоего предела, дальше которого тяжелые частицы не будут образовываться, поскольку будут распадаться быстрее, чем образовывают связанные состояния. Такие примеры у нас уже имеются.

Но свойства адронов как частиц, которые взаимодействуют сильным образом, достаточно хорошо поняты. У адронов есть электрический заряд, поэтому кроме сильных взаимодействий они принимают участие и в электромагнитных взаимодействиях, а также распадаются, и распад осуществляется за счет слабого взаимодействия, когда, как правило, испускается нейтрино. То есть адроны — это частицы, которые принимают участие практически во всех известных нам взаимодействиях: они участвуют и в сильных взаимодействиях, и в электромагнитных, и в слабых, а также в гравитационных, которые и правда очень слабые.

Дмитрий Казаков, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории теоретической физики ОИЯИ.

ПостНаука