Открытие кварков произошло элегантно и не принужденно. Можно сказать, что их, как будь то, увидели в микроскоп, по крайней мере принцип тот же.
Это осуществили Джером Фридман, Генри Кендалл и Ричард Тейлор в 1967-1973 годах на Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC). Они разгоняли на этом ускорителе электроны, которые начинали излучать фотоны. Излученные фотоны попадали на атомные ядра мишени, где и взаимодействовали с кварками протонов и нейтронов. Ученые следили за частотой взаимодействия фотонов с протонами и нейтронами. Поскольку фотон в то время, да и сейчас, наукой представлялся в виде волны, то и взаимодействие должно быть таким, как на этом рисунке 1.
Так волну, например, представляет Роджер Пенроуз, что можно увидеть в описании эксперимента с двумя щелями. И как-то так получается, что ученые хотя и связывают энергию волны излучения с частотой, иногда подсознательно они предполагают в этой волне той или иной величины амплитуды волны, никак не ассоциируя это с величиной энергии.
Если энергия волны мала, а амплитуда ее большая, то она обогнет протон и зарегистрируется такой фотон в счетчике. Рис. 1, a). Когда энергия волны больше, положение b), то волна (фотон) может обогнуть протон и попасть в счетчик, а может и отразиться от протона и улететь обратно или куда-то в сторону. Но когда фотон приобретает большую энергию и в тоже время становиться много меньшим протона, то он обязательно отразится от протона и не достигнет счетчика.
Если считать, что взаимодействием является ретрансляция (поглощение, а затем излучение) фотона протоном, то видим, что с ростом энергии частота взаимодействий падает. И если протон представляет собой монолит, то отражений от его поверхности происходит максимально большое количество. А если в протоне сделать отверстие по ходу фотонов, то отражений будет меньше, так как часть фотонов будет проскакивать через это отверстие и регистрироваться в счетчике.
Так же ослабление отражения будет в случае не монолитности нуклона, но несколько меньше в случае монолитности. А если в нуклоне не будет вообще отражающего вещества, то отражения не будет вовсе. Но в случае эксперимента, производимого учеными на SLAC, в нуклонах оказалось таких отражающих областей 3 штуки. Примерно, как изображено на рисунке 2.
Получалось так, что некоторые фотоны, излучаемые электронами, отражались от определенных мест, их потом назвали кварками, а другие фотоны проходили через нуклоны и оставляли следы в измерительной камере. Если мишень была установлена в камере, то можно было наблюдать следы всех фотонов и прошедших через мишень, и отразившихся от ее.
Естественно, ученые никаких нуклонов, и тем более отражающих веществ в нуклонах, не видели. Они видели только следы пролетающих частиц, то есть темные полоски различной длины и различных направлений. В некоторых областях плотность этих треков была больше или меньше нежели в других. Там, где этих треков было меньше, ученые и предположили, что эти места чем-то затемнены. Да возможно они и не видели этих зон.
Ученые описали сложившуюся ситуацию каким-то математическим образом. Для этой цели были привлечены физики–теоретики Джеймс Бьеркен и Ричард Фейнман. Которые и просчитали, что частота взаимодействий, налетающих на нуклон частиц, хорошо согласуется с предположением о наличии внутри атомного ядра какой-то непрозрачной для электронов и фотонов структуры. Это и доказывало, что нуклоны не монолитные образования, а состоят из нескольких элементов, то есть кварков. В 1990 г. за это открытие Фридман, Кендалл и Тейлор были удостоены Нобелевской премии.
Этот эксперимент похож на микроскоп с проходящими лучами. Если смотреть в такой микроскоп на бактерию, лежащую на стеклянной подложке, то мы увидим ее силуэт. Также очерчивают контуры более плотных объектов рентгеновское излучение. Может выделить не только контуры косточек человека, но и элементы, например, молекулы ДНК. Такое же выделение контуров элементов нуклонов и произошло в ускорителе. Только в этом случае произошло не визуальное наблюдение этих контуров, а, если можно так сказать, математическое.
А математика, вы знаете, наука точная. Она докопалась до самих глубин и оказалось, что эти силуэты (кварки) не просто одинаковые какие-то комки чего-то там, а обладают различными свойствами, а стало быть и различной структурой, а может быть и состоят из разных субстратов. И уравнения показали наличие не только представленных в таблице кварков: u, d, c, s, t, b, но и их антиподов – антикварков. Те же буквы, только с черточками на верху.
В общем ученые наоткрывали множество таких частиц. Напомню, что в их распоряжении были только треки частиц и величина энергии, при которой рождались эти частицы, а затем многие и распадались. Что делать с этими частицами никто не знал. Я возьму некоторые цитаты из статьи http://nuclphys.sinp.msu.ru/hph/hph2.html#9, которая называется “Структура материи”. Материалы сайта Нобелевского комитета http://www.nobel.se/physics/educational/matter/ Перевод А. А. Богуславского, и посмотрим, что из этого получилось.
“Мюррей Гелл-Манн и Георг Цвейг предположили, что барионы – это частицы, состоящие из трех кварков (qqq), а мезоны – частицы, состоящие из кварка и антикварка (q ). Протон состоит из двух up-кварков и одного down-кварка, нейтрон – из двух down-кварков и одного up-кварка. (up-кварк (верхний кварк) обозначается буквой u, down-кварк (нижний кварк) - буквой d. Слова up и down – просто имена кварков и никакого отношения к понятию "верх" или "низ" не имеют)”. На картинках это выглядит примерно так:
Как видите это только предположение, а не четкий экспериментальный вид.
И “Перед Гелл-Манном и Цвейгом стояли две другие серьезные проблемы, которые нужно было разрешить до принятия их теории. Во-первых, кварки не наблюдались, и никто не мог объяснить этот факт. Во-вторых, можно было предположить различные комбинации кварков, но эти другие комбинации никогда не были обнаружены экспериментально”.
- Чудеса, да и только. “…другие комбинации никогда не были обнаружены экспериментально”, а что первые комбинации были обнаружены экспериментально?
Как их можно обнаружить экспериментально, если их нельзя разделить. Ведь так и пишут Нобелевские лауреаты: “По этой причине кварки нельзя наблюдать в свободном виде по отдельности”. Это прямо жирным шрифтом выделено.
По этой же причине также нет возможности определить величину их зарядов. Совместный заряд можно определить, а как определить заряды объединенных частей. Никак. Если бы эти части разделились, то пропустив их через какое-то поле, можно было бы проследить за отклонениями их траекторий и потом вычислить их заряды.
Но и на этом не кончаются проблемы “Перед Гелл-Манном и Цвейгом”. Возможно они забыли или не знали, а может быть их подвела математика, но в их модели строения нуклонов не учтен фактор бета-распада (слабого взаимодействия). Дело в том, что свободный нейтрон распадается на протон и W-бозон. Масса этого бозона несоизмерима с массой нейтрона и где она находится в нейтроне неизвестно. Это одно темное место. И второе. Этот бозон дальше распадается на электрон и нейтрино. Нейтрино без зарядно, а электрон обладает зарядом. Если верить табличке, то этот заряд в бозоне скомпенсирован противоположным бозоном и в этом случае после распада бозона должен куда-то деваться положительный заряд. Если такой компенсации нет, то отрицательный заряд электрона должен где-то хранится в нейтроне. Где? На этот вопрос тоже надо дать ответ.
И это еще не все проблемы кварков. Вот что я нашел в сети:
”Экзотическими тетракварки называют, потому что изначально считалось, что адроны могут состоять или из пары кварк-антикварк (такой адрон называется мезоном), или из трех кварков (в этом случае адрон называется барионом; барионами являются, например, протон или нейтрон). Барионов и мезонов известно много, и они хорошо изучены. Однако более 50 лет назад было сделано предположение, что существуют адроны, состоящие из четырех и даже пяти кварков — тетракварки и пентакварки. На данный момент экспериментально уже обнаружено четыре пентакварка и около 20 тетракварков», — сообщили в институте”.
Ну и чему верить: в протоне или нейтроне 3 кварка или 4, или 5? Причем все эти модели уверяется подтверждены экспериментально.
А специалисты Хабра пошли еще дальше и представляют нуклоны в виде такой картинки. Адрес информации https://habr.com/ru/post/408201/. Можно не сомневаться, что и такая модель будет подтверждена “эксперементально”.