Валерий Чолаков
Нобеловите награди (19) (Учени и открития (1901–1982))

Кварките. Великото обединение

В началото на 60-те години към обичайните няколко частици, с които физиците построяваха атомите, се добавиха още около 200 и учените просто не знаеха какво да правят. Изход от това положение бяха теориите, според които болшинството от частиците се изграждат от субчастици. Те се обявяваха за наистина елементарни.

Една от тези теории, която впоследствие спечели умовете и сега може да се смята за общоприета, е хипотезата за кварките. Тя бе предложена в 1964 г. от Мъри Гел-Ман, професор в Калифорнийския технологически институт, и Джордж Цвайг, един млад физик от същия институт. Според тази теория два кварка са достатъчни, за да се обясни строежът на протона и неутрона. Тези кварки се обозначават с латинските букви u и d. Физиците ги свързват с английските думи up и down, което значи горе и долу. Тези понятия произтичат от проекцията на изотопическия спин. Неутронът и протонът се състоят от тройка кварки. За протона тройката е uud, а за неутрона udd. Кваркът u има електрически заряд 2/3, а кваркът d — 1/3. От формулата се получава, че зарядът на протона 1, а на неутрона 0.

За да се обясни строежът на странните частици, бе въведен и трети кварк — s, от английската дума strange — странен. Странните частици не могат да се превръщат в протони и неутрони, което даде основание на физиците да им припишат особен заряд, наречен „странност“. Законът за запазване на странността и самото понятие странност бяха въведени от Гел-Ман в 1953 г.

Според кварковия модел мезоните са също съставни частици. Теорията приема, че те се състоят от кварк и антикварк.

Изброените дотук частици са от групата на т.нар. адрони, които участвуват в силните взаимодействия. Тяхното голямо многообразие бе сведено до 3 кварка. Освен тях, като действително елементарни частици оставаха електронът, мюонът, електронното неутрино и мюонното неутрино. Хипотезата за кварките бе нов етап във физиката на микросвета. Нейното появяване може да се сравнява само с разкриването на строежа на атома в началото на века. Екзотичното име quark („кварк“) бе заимствувано от Гел-Ман от книгата на известния писател Джеймс Джойс „Пробуждането на Финеган“. Впрочем тази загадъчна в останалите езици дума на немски означава „извара“. Но Гел-Ман едва ли е имал това предвид.

Създаването на кварковия модел от самото начало вдигна голям шум и повечето физици бяха убедени, че е само въпрос, на време Мъри Гел-Ман да стане Нобелов лауреат. Все пак академиците от Стокхолм изчакаха 5 години, преди да му връчат Нобеловата награда по физика за 1969 г.

Още през 1964 г., когато Гел-Ман и Цвайг постулираха съществуването на 3 кварка, Дж. Бьоркен и Шелдън Глашоу предложиха да се въведе и четвърти кварк. С него можеха да се правят нови комбинации и да се описва състоянието на нови частици. Теоретичните резултати, получени с четвъртия кварк, бяха много добри и може би задоволството на теоретиците е причина той да бъде свързан с едно ново квантово състояние, наречено „очарование“. Самата частица бе назована „очарован кварк“. Той се обозначава с латинската буква с, първата буква на английската дума charm — очарование. Едно от предсказанията следващи от въвеждането на c-кварка, бе съществуването на нов тип мезони, съставени от този кварк и неговия антикварк. Тези частици от групата на адроните бяха открити през 1974 г. едновременно от два изследователски екипа.

Едната група, ръководена от професор Самюел Тинг от Масачузетския технологически институт, след няколкогодишни изследвания откри частица, която бе означена с английската буква „джей“ (J). Откритието бе направено при изучаване на процесите на сблъскване на гама-кванти с адрони и на адрони с адрони. При това се образува двойка електрон и позитрон. По-специално експериментите от пролетта на 1974 г., при които се изследваше сблъскването на протони с ядрата на атомите от мишената, показаха наличието на частица с маса, съответствуваща на енергия от 3,1 ГеВ. Тази маса е доста голяма. За сравнение може да посочим, че масата на пи-мезона е 140 МеВ, а на протона 939 МеВ.

По същото време работеше и групата на Бъртън Рихтер, професор от Станфордския университет в Калифорния. На големия линеен ускорител се изследваше образуването на адрони при сблъскването на позитрони и електрони с голяма енергия. При енергия от порядъка на 3,2 ГеВ бе открита частица, която се разпадаше на адрони. Рихтер я нарече „пси“ — частица (Ψ).

Така в резултат на работата на двете групи в науката влезе джей/пси-частицата. Експерименталните данни бяха публикувани едновременно от двата екипа през декември 1974 г. Установи се, че тази частица е от групата на мезоните и се състои от очарования c-кварк и неговия антикварк. Скоро бяха открити няколко от тези микрообекта и те започнаха да се наричат с общото име пси-частици. В тях двата кварка са свързани както позитронът и електронът в позитрония. Аналогично този модел се нарича „чармоний“. Позитронът и електронът се свързват чрез електромагнитното взаимодействие, което се описва от квантовата електродинамика. Двата кварка в чармония се свързват от цветното взаимодействие, което се изучава от квантовата хромодинамика.

Понятието „цвят“ бе въведено от Гел-Ман и Цвайг, за да се запази принципът на Паули. Според този принцип не може да съществува система, в която да има частици в еднакви квантови състояния. Но предсказаният от теорията и впоследствие открит [Ω^–] омега-минус-хиперон, който се състои от 3 s-кварка, се оказа точно такава система. За да се спаси положението, бе въведено новото квантово число „цвят“. Като се приеме, че трите кварка са от различни цветове, всичко става съвсем нормално.

Тези „цветове“ може да се разглеждат като аналог на електричния заряд. Всъщност смята се, че кварките се свързват помежду си със специфични кванти на цветното взаимодействие, наречени глуони, от английската дума glue — лепило. Аналогично на електродинамиката, тази нова област на физиката бе наречена хромодинамика.

Откритието на Рихтер и Тинг бе силно доказателство в полза на кварковия модел и хромодинамиката. Нобеловият комитет реагира бързо и даде наградата по физика за 1976 г. на тези двама изследователи. Решението бе взето, когато не бяха минали още две години от излизането на техните публикации.

Нека видим сега какво е състоянието в съвременната физика на микросвета. Към четирите кварка по последни данни трябва да се добавят още два, обозначавани с латинските букви b и t. Според някои — от английските думи bottom и top — дъно и връх, а според други от по-поетичните думи beauty и truth — красота и истина. Шестте кварка се различават помежду си, тъй като имат различен „аромат“. Те се групират в три семейства, като всеки от тях се среща в три цвята — червен, жълт и син. Шест аромата по три цвята правят 18 частици. Към всяко семейство има и лептони — съответно електрон, мюон и тау-частица и електронно, мюонно и тау-неутрино. С това лептоните станаха общо шест. Добавени към 18-те кварка, фундаменталните частици стават 24, а с техните античастици — 48. Отново твърде много, за да бъдат съвсем елементарни.

Вече се разработват модели, според които дори тези частици се състоят от субчастици. Те са твърде хипотетични, защото засега науката не разполага с експериментални данни по този въпрос. Необходимо е да се намерят нови източници на информация. Гигантските ускорители са вече на границата на своите възможности, а построяването на още по-големи от тях е много трудна задача. Това кара физиците да насочват поглед към небето. Далеч в Космоса се реализират такива състояния на веществото, при които се проявяват неговите най-фундаментални свойства. Може би внимателното прислушване към сигналите, идващи от Вселената, ще ни даде възможност да разберем нещо повече за света, в който живеем. Това е едно от най-изненадващите явления в съвременната физика — изследванията на микросвета се свързват с изучаването на Вселената. Наистина едно забележително обединение.

В съвременната физика е на дневен ред и друго обединение. Става думи за силите, които движат света. Още през 17 век Нютон описа гравитационното взаимодействие, което управлява движението на небесните тела. През 19 век Максуел обедини електричеството и магнетизма в общо електромагнитно взаимодействие. През 30-те години на нашия век, след откриването на неутрона, се заговори за силното ядрено взаимодействие, а изследванията на бета-разпадането доведоха до схващането за слабото взаимодействие. Тъй като силите станаха твърде много, започнаха опити за тяхното обединяване.

Алберт Айнщайн посвети 35 години от живота си на обединяването на електромагнитното с гравитационното взаимодействие. Той започна тази работа, когато още не бяха известни другите сили в микросвета. Големият учен не постигна успех, но през последното десетилетие други изследователи съумяха да обединят електромагнитното и слабото взаимодействие в рамките на т.нар. квантова астенодинамика. Това бе дело на много учени, сред които се открояват имената на Стивън Уайнбърг, Шелдън Глашоу и Абдус Салам — Нобеловите лауреати за 1979 г.

Опитите да се създаде теория на слабото взаимодействие бяха започнати през 50-те години, след успешното създаване на квантовата електродинамика от Фейнман, Шуингър и Томонага. Тези трима учени към 1948 г. създадоха теория, която свързва квантовата механика с релативистичните идеи и обяснява добре експерименталните резултати от спектроскопията и други изследвания на атомите. По-специално японският физик Шиничиро Томонага създаде през 1946 г. теория, чийто математически апарат даваше възможност доста точно да се изчисляват процесите на електромагнитното взаимодействие между електроните и протоните.

Американският физик Ричард Фейнман, освен с работите си в квантовата електродинамика, е известен и с разработения от него в 1949 г. способ за обяснение на възможните превръщания на частиците — т.нар. диаграми на Фейнман.

Джулиан Шуингър от Харвардския университет предсказа аномалния магнитен момент на електрона и обясни особените спектри на водорода, открити от Уилис Лем — един от Нобеловите лауреати по физика за 1955 г. Шуингър е учителят на Шелдън Глашоу, за когото ще стане дума по-нататък.

Тримата изследователи Фейнман, Шуингър и Томонага получиха Нобеловата награда по физика през 1965 г. за създадената от тях релативистична квантова електродинамика.

След като тази задача бе в общи линии завършена, учените се заеха със слабите взаимодействия. Към 1958 г. благодарение на работите на Ричард Фейнман, Мъри Гел-Ман, Робърт Маршак и Джордж Сударшан бе създадена тяхната количествена теория. Още тогава Шуингър изказа мисълта за възможното обединение на слабите и електромагнитните взаимодействия, връщайки се към някои идеи на Ферми от 30-те години. От този период са и първите работи на Салам, Уайнбърг и Глашоу.

В съвременните теории за взаимодействието квантовите представи водят до извода за съществуването на два класа обекти: частици на веществото и частици — кванти на полето, които пренасят взаимодействието. Още Юкава, който откри теоретично квантите на силното взаимодействие, се опита да въведе подобни представи и при слабото взаимодействие. Работите на Чен Нин Янг и Р. Милс от 1954 г. доразвиха тези идеи. По-нататък голям брой учени се заеха с този въпрос и през 1961 г. Шелдън Глашоу успя да създаде модел на слабото взаимодействие, като въведе в теорията четири мезона, освен доброто описание на слабите взаимодействия стана възможно да се направи и връзката с електромагнитната сила. В електродинамиката взаимодействието се предава от неутралния гама-квант. Според новите представи общото електрослабо взаимодействие се предава от четири частици, три от които са с доста голяма маса, а четвъртата е същият гама-квант. Изискването тези три мезона да са с голяма маса идва от факта, че слабото взаимодействие се осъществява на съвсем малки разстояния. Физиците се надяват с помощта на свръхмощни ускорители един ден да получат тези частици.

Теорията за електрослабото взаимодействие възвести един нов етап в съвременната физика, в който се набелязва силен стремеж към обединение на различните теории и откриване на по-фундаментални свойства на материята. Разработването на тази обединена теория стана на базата на представата за кварките. Докато, от една страна, физиците обединяваха частиците в семейства и откриваха субчастици от друга страна, те установяваха, че едно взаимодействие при субчастиците може да се проявява като различни взаимодействия при образуваните от тях сложни частици. Следващият етап в развитието на физиката ще бъде обединяването на теорията на силните взаимодействия — квантовата хромодинамика, с теорията на електрослабите взаимодействия — квантовата астенодинамика. Между тях има известно сходство и учените смятат, че ще може да се постигне единство.

Докато глуоните, които свързват кварките, променят техния цвят и по този начин ги обединяват в протони, неутрони и т.н., четирите междинни бозона на електрослабото взаимодействие променят техния „аромат“, т.е. превръщат един вид кварки в друг, а това води до разпадането на частиците. Именно тук физиците се мъчат да открият фундаментални закони, които да обединят тези процеси. В по-далечно бъдеще те се надяват да създадат обща теория, в която да слеят в едно електромагнетизма, силното и слабото взаимодействие и гравитацията и по този начин да реализират мечтата на Айнщайн за велико обединение на силите в природата.

Новите представи за строежа на частиците и техните взаимодействия дадоха възможност да се хвърли светлина върху процесите на нарушаване на симетрията в микросвета. Дълго време се смяташе, че едно физическо взаимодействие има пространствена симетрия — т.е. ако променим посоките на движение на всички обекти с противоположни, или с други думи, ако вземем огледалното отражение на процеса, нещата няма да се променят. Това интуитивно схващане бе разрушено през 1956 г., когато Ли и Янг показаха, че пространствената симетрия не се запазва при някои слаби взаимодействия.

Друг тип симетрия, който физиците приемаха също така от интуитивни съображения, бе симетрията по отношение на заряда. Смяташе се, че ако в една реакция се заменят всички частици с техните античастици, крайният резултат няма да се промени. Експерименталните данни обаче опровергаха и това мнение. Тогава теоретиците направиха последно усилие, за да спасят симетрията в микросвета. Те предположиха, че за да се запази симетричността, трябва да се направи не само огледалното отражение, но и да се заменят частиците с античастици, т.е. да се извършат двете преобразувания едновременно. И наистина при това положение резултатите от опитите подкрепяха теорията и духовете за известно време се успокоиха.

Както е известно, изводите на Ли и Янг се базираха на данните от разпадането на К-мезоните. Решаващата информация за т.нар. тау– и тета-частици, която показваше тяхната идентичност бе получена в 1956 г. от Вал Фич в Принстънския университет. В 1961 г. съшият изследовател откри неутралния К-мезон или по-точно неговата античастица. Тези два микрообекта се различават единствено по своята странност — едно от квантовите числа. Според теорията получаваният сноп от неутрални К-мезони трябва да се състои от приблизително равен брой частици и античастици. Докато кратко живеещите неутрални К-мезони бързо се разпадат на два пи-мезона, това се оказва забранено за античастицата поради необходимостта да се запази комбинираната симетрия. Експерименти от този род бяха проведени през 1964 г. в Принстън от Вал Фич и Джеймс Кронин. Отначало данните се съгласуваха с теорията, но неочаквано в 0.2% от случаите бе наблюдавано разпадане на по-устойчивата античастица.

Това бе катастрофа за теорията. Последният принцип на симетрия, който обединяваше преобразуванията в пространството с тези в зарядите, се оказа нарушен. Резултатите на Кронин и Фич бяха докладвани през август 1964 г. на XII международна конференция по физика на високите енергии в Дубна. Впоследствие бяха открити и други процеси, при които се нарушава пространствено-зарядната симетрия. За физиците стана ясно, че е открито фундаментално свойство на слабите взаимодействия.

Според съвременните теории, които обясняват електрослабите явления като реакции между кварките, лептоните и векторните бозони, нарушението на симетрията се дължи именно на тези бозони — квантите на взаимодействие. Това нарушение не може да се получи в система от четири кварка и затова през 1973 г. Кобайаши и Маскава предположиха съществуването на трета двойка кварки. В 1975 г. бе открит тежкият тау-лептон от третото семейство на частиците, а през 1977 г. — (Υ) ипсилон-мезонът, който се състои от два свързани b-кварка. Откриването на шестия по ред t-кварк се смята само за въпрос на време.

Съвременната физика, която се стреми да обедини всичко в една теория, намери вече връзка между нарушението на пространствената и зарядна симетрия и еволюцията на Вселената. Наблюденията на астрофизиците показват, че в Космоса почти няма антивещество. Единичните античастици, които се срещат, по всяка вероятност са възникнали, вторично. Смята се обаче, че в много ранните стадии от възникването на Вселената, когато са се образували частиците, броят на нуклоните и антинуклоните почти е съвпадал. От това „почти“ е възникнал съвременният свят. Частиците са анихилирали с античастиците и в резултат се е образувало излъчване, фотони. Ако броят на частиците беше съвпаднал с античастиците, във Вселената днес щеше да има само фотони. За наше щастие от самото начало светът е бил леко асиметричен. Възприемайки подобни възгледи, трябва да се откажем от идеята за комбинираната симетрия. Тогава ще е възможно съчетаването на кварките и антикварките в различни количества частици и античастици.

Началото на тези теоретични разсъждения бе поставено от сензационното откритие на Фич и Кронин от 1964 г. Нобеловият комитет по физика прояви през последните няколко години забележителна последователност. В 1978 г. бяха наградени Пензиас и Уилсън, които откриха реликтовото излъчване, образувало се при възникването на Вселената. През 1979 г. наградата бе дадена на Уайнбърг, Глашоу и Салам за обединяването на електромагнитните и слабите взаимодействия, а Нобеловата награда за 1980 г. получиха Вал Логсдън Фич и Джеймс Уотсън Кронин за откриването на нарушенията в пространствено-зарядната симетрия. Тези три открития в различни области са зрънца от мозайката, образуваща една все по-завършена картина на света.