В настоящее время фундаментальными «кирпичиками» материи считается небольшое число неделимых частиц, называемых кварками и лептонами. Окружающий нас мир почти полностью построен из лептонов одного типа — электронов и кварков двух видов (от англ. up — вверх и down — вниз). Кварки обладают дробным электрическим зарядом и различаются между собой некоторым квантовым свойством, известным под названием «аромат» (от англ. flavour).
Различные комбинации этих кварков образуют ядерные частицы: протон с составом uud и нейтрон udd. Полное описание субатомных частиц, включая и те объекты, которые на мгновение образуются в ускорителях при столкновении частиц высоких энергий, потребовало введения большего числа фундаментальных составляющих материи. Обнаружено шесть видов лептонов, которые естественным образом разбиваются на пары, или, как говорят, на три дублета.
До недавнего времени было надежно установлено существование четырех видов кварков, которые тоже образуют два дублета. В дополнение к кваркам, входящим в состав обычного вещества, понадобилась пара кварков, наделенных особыми ароматами: странностью 5 (от англ. strangeness) и очарованием с (от англ. charm). В этой статье мы дадим обзор экспериментальных доказательств в пользу существования кварков пятого вида: кварка В, который наделен ароматом, называемым «прелесть» (иногда обозначение кварка В производят не от англ. beauty — красота, прелесть, а от bottom — низ).
Первые указания на существование прелестных кварков появились шесть лет назад в результате экспериментов, в которых пучок протонов высокой энергии направлялся на неподвижную мишень. Среди частиц, рожденных при такой «бомбардировке», были массивные частицы, состоящие, по-видимому, из двух новых кварков — В и его антикварка В. В таких частицах противоположные ароматы — «прелесть» и «антипрелесть» — взаимно компенсируются, так что получившаяся частица аромата не имеет.
Другими словами, прелесть новых частиц скрыта. В последние годы наша группа из Корнеллского университета использовала иной подход к изучению прелестных частиц. В наших экспериментах сталкиваются встречные пучки электронов и позитронов высоких энергий. Частицы вещества и антивещества аннигилируют, порождая всплеск электромагнитного излучения, из которого могут материализоваться новые частицы. Таким путем нам удалось создать частицы, в которых прелестный кварк соединен с антикварком другого аромата.
Прелесть таких частиц уже больше не скрыта — говорят, что она «обнажена». Наблюдение частиц «с обнаженной прелестью» может дать новую информацию о взаимодействиях фундаментальных частиц. Ожидается, что это открытие вновь повысит интерес к поискам еще одного кварка, необходимого для пополнения третьего кваркового дублета. Предсказанный, но все еще не обнаруженный шестой кварк должен обладать новым ароматом, для которого уже заготовлено название «истина» (обозначение /-кварка производят он англ. truth, иногда используют другое английское слово top — верх).
Прежде чем начать рассказ об открытии прелестного кварка, мы дадим более подробный обзор современных представлений о строении материи из кварков и лептонов.
Три дуплета лептонов включают: электрон и его незаряженного партнера — электронное нейтрино, и соответствующее ему нейтрино и, наконец, таулептон и его нейтрино. У каждого лептона есть античастица, так что в полный набор лептонов входят также позитрон, положительно заряженные, и соответствующие им антинейтрино. Лептоны чрезвычайно малы, не более 10/-13 см в диаметре; возможно, что они вообще являются точечными частицами, не имеющими внутренней структуры. Несмотря на то что все заряженные лептоны подобны по своим свойствам, их массы существенно различны: мюон в 206 раз тяжелее электрона, а тау-лептон тяжелее электрона почти в 3500 раз.
Нейтрино очень легкие частицы, и не исключено, что они вообще не имеют массы. В состав каждого из трех кварковых дублетов входит один кварк с зарядом +Узи один кварк с зарядом — Уз. Кварки, как и лептоны, очень небольшие объекты; их обычно считают точечными частицами. У каждого кварка имеется антикварк с противоположными зарядом и ароматом.
Например, 6-кварк имеет электрический заряд — Уз и несет единицу прелести (примем, что его прелесть равна -1). Тогда антикварк будет иметь электрический заряд Уз и прелесть +1. Итак, в общей сложности насчитывается 24 элементарных «кирпичика» материи, среди них — кварки, лептоны, антикварки и антилептоны. Однако замечательным является то обстоятельство, что свойства материи почти при любых условиях могут быть объяснены с помощью одного лептонного и одного кваркового дублетов.
