Нет, пожалуй, слова более популярного в сетевом псевдонаучном полусвете, чем «кварк». Не стоит поспешно представлять дилетантов, часами дискутирующих на темы изотопического спина и четности волновой функции. Эзотерическая для них тема тем и привлекательна, что совершено им непонятна, и их эффективное сечение познания микромира бесконечно мало. Но читатель мыслящий, не чуждый новых знаний, наверняка посчитает нелишним узнать, что такое кварки, и с чем их едят.
Гипотеза кварков
Да, это именно гипотеза, а не теория, как полагают вульгарные квазинаучные издания. Теория обобщает практический опыт, объясняет и устраняет его противоречия, она математически обоснована и, в свою очередь, подтверждается опытом. Пример тому — теория относительности, СТО и ОТО. Гипотеза же часто писана по воде вилами, одними логическим предположениями, и рождается от безысходности, когда наука заходит в тупик, как в случае с пресловутым эфиром. У хорошей гипотезы небольшой срок жизни — она быстро подтверждается, подобно нейтрону, предсказанному за несколько лет до открытия. А полтора десятка лет спустя подтвердилось предположение Ф. Жольо-Кюри, сооткрывателя нейтрона, о радиоактивности этого нуклона. Гипотеза кварков, напротив, придумана очень давно — в 60-е годы. Перефразируя наполеоновского гусарского генерала, скажем, что гипотеза, дожившая до 60-ти лет — не гипотеза, а merde.
Теперь к истории вопроса. Гипотеза кварков родилась под напором опытных данных, открывавших миру новые элементарные частицы. Некоторые из них, а именно гипероны, оказались тяжелее нуклонов, и распадались на протоны[1]. Тогда возникла идея объяснить их существование неэлементарной природой нуклонов, состоящих, таким образом, из неких субчастиц.
В 1964 г. придумали по три частицы и три античастицы, назвав их кварками. Название позаимствовали из фантастического грошового романа, без всяких аналогий. Все последующие термины, связанные с кварками такого же порядка. Впрочем, поначалу их часто называли барионеттами (barionette) — бариончиками, по аналогии с этимологией нейтрино. Этот термин можно встретить в статье выдающегося советского физика академика Я. Б. Зельдовича[2], который по горячим следам разобрал и обсчитал кварковую гипотезу, резюмировав: «Но, может быть, в действительности кварков нет? Может быть, есть только <…> симметрия свойств частиц, как раз такая, как если бы кварки существовали?»[3] Здесь речь о дифракции энергичных электронов на «точечных центрах» нуклонов, служившей основным аргументом кварковой гипотезы.
Несмотря на отсутствие теоретической базы и экспериментальных подтверждений, кварковая гипотеза закрывала бреши в научном познании, как в свое время пресловутый эфир. Из кварков конструировались все известные тогда корпускулы, участвующие в сильных взаимодействиях (адроны). Но тут же возникла проблема: иные барионы оказались собраны из одинаковых кварков. Поскольку их постулировали фермионами, корпускулами со спином ½, они подчиняются принципу Паули, запрещающему двум и более частицам находиться в одном квантовом состоянии, иными словами составлять единую систему, в нашем случае — частицу. Противоречие устранили, допустив градацию всех кварков по еще одному признаку: условному «цвету». Каждый кварк, или теперь уже сорт кварка, получал градацию из трех «цветов». Тем устранялось противоречие Паули (тогда барион составляли не одинаковые кварки, а «разноцветные») и увеличивалось число кварков[4] с 6 до 18. Впоследствии, под напором новых экспериментальных данных, их число возрастет до 36.
"Костыли" гипотезы
Сам по себе «цветовой заряд» — условность, не имеющая физического смысла, несущая лишь одну функцию: «различать» одинаковые кварки, то есть, теперь уже не одинаковые. Физика частиц и квантовая механика очень необычные науки, многие их понятия несопоставимы с макромиром, и не всякий макроум способен вникнуть в эти тонкости. Здесь возможно мыслить не образами, а только математическими и логическими аргументами.
«Цвет» не первая условная корпускулярная характеристика. Чтобы различать однотипные барионы, например, нейтрон и антинейтрон, не имеющие электрического заряда[5] и тождественные во всем прочем, придумали барионное число (барионный, ядерный заряд). У нейтрона он +1, у антинейтрона: —1. Более того, закон сохранения барионного числа объяснил, почему протон не распадается на позитрон и гамма-квант высокой энергии. Поскольку если нет ограничения законами сохранения, то переход в состояние с меньшей энергией обязателен. «Но если протону приписать барионное число и постулировать сохранение этого числа, то устойчивость протона становится понятной, правда, с переносом всех проблем на загадочное барионное число»[6].
Поскольку барион имеет заряд, то и барионетты, его составляющие, должны получить: один на троих, поскольку их в барионе три; и заряд кварка вышел дробным: 1/3. То же и с электрическим зарядом: здесь все сложнее, и получились кварки с зарядами 1/3 и 2/3 (знаки не приводим, ибо они очевидны). На кварки перенесли и другие характеристики, вроде спина и даже странности, далее, в попытках выйти из очередных противоречий гипотезы, добавили «шарм» и «аромат». На открытие каждой новый частицы, не коррелирующей с гипотезой, последняя отвечала введением нового пула кварков. В 70-е придумали с- и b-кварки, в ответ, соответственно, на j-частицу и ипсилон-мезон. В 1995 добавился шестой сорт кварков, якобы даже полученный в ускорителе, t-кварк. Этого фантастического казуса мы еще коснемся.
Ненаблюдаемость кварков
Слабой стороной гипотезы кварков, помимо многочисленных математических костылей, которые она требует с каждым новым открытием в микромире, является ненаблюдаемость кварков. «Существуют ли кварки (или барионетты)? В вариантах с дробным зарядом по крайней мере один тип кварков должен быть стабильным в свободном состоянии»[7]. То есть кварки с минимальным дробным барионным и электрическим зарядами не могут дробиться еще мельче, следовательно, не способны распадаться, как протон в вышеприведенном примере. Но протоны повсюду, а кварков нет. Почему?
Очевидно потому, что их просто нет. Кварки искали в космических лучах, океанской воде и под подушкой гипотезёров… Ce sont des balles perdues, как гласит французская поговорка (это стрельба в «молоко», напрасный труд). Тем временем гипотеза обрастала новыми подробностями, вроде гипотетических и также не наблюдаемых глюонов, призванных обеспечить связь между кварками в нуклоне.
Не найдя в природе стабильных кварков, которые совершенно однозначно вытекают из самой гипотезы, апологеты стали искать в ускорителях нестабильные. На каждую неудачу находилось одно объяснение: не хватает энергии. Сначала искали на 4, 6, 8 ГэВ. Далее ставки росли, пока в 1995 г. не «получили» упомянутый supra t-кварк с совершенно невероятной массой 175 ГэВ! Это в 186 раз больше нейтрона. При слиянии в нуклон (даже если два других барионетта ничтожно малы) должна выделится энергия связи почти в тысячу раз большая выделяемой при делении ядра урана-235 (200 МэВ).
В действительности, не выделится, потому что полученная частица — резонанс, частица, регистрируемая по максимуму сечения взаимодействия порождающих частиц, т. н. резонансу, отчего ее и называют резонансом и не включают в таблицы элементарных частиц. Это дрозофила микромира, срок ее существования 10(-22)—10(-23) сек. За это время частица, даже имея субсветовую скорость, пройдет расстояние в десяток диаметров ядра, или 0,001 радиуса атома. Резонансы называют частицами с точечной жизнью — ее существование заканчивается в той же точке, что и рождение. Никаких свойств, вроде электрического или барионного заряда, за такое время установить для нее невозможно. Косвенно можно о них судить лишь по продуктам распада, но в опыте резонансом в 175 ГэВ, ими оказались другие резонансы: тяжелый бозон со спином 1, и еще одна, постулированная как b-кварк. Для них также недоступны какие-либо убедительные замеры. И не удивителен ли факт, что кварк распался на кварк? Наконец, главный вопрос: как частица с точечной жизнью вступит в реакцию с двумя другими такими же?
Очевидна пристрастная интерпретация результатов эксперимента, даже если не было ошибок в его процессе. Куда более именитые физики-экспериментаторы допускали подобное. Ферми, облучив нейтронами соли урана, объявил, что создал трансурановый элемент. И только после того, как И. Жольо-Кюри повторила эксперимент итальянца и обнаружила лантан, который Ферми не смог очистить, выяснилось, что имело место деление тяжелого ядра под действием нейтронов.
В любом случае, полученный гиперон точно не мифический кварк. Именно поэтому эксперимент прошел незамеченным в среде профильных специалистов (несмотря на агрессивную рекламу в прессе), не повторялся, и практически забыт. Например, трехтомник «Экспериментальная ядерная физика»[8] под редакцией всех российских академиков-ядерщиков, уделивший гипотезе кварков 30 страниц, ни слова не посвятил этому квазиоткрытию «t-кварка».
Выводы
Резюмируем изложенное: гипотеза постулирует существование стабильных кварков, но ни в природе, ни в ускорителе не нашли даже нестабильных, что ставит кварки в один ряд с эфиром и тахионами. Если кварки ненаблюдаемы, потому что не могут существовать в свободном состоянии, как они составили нуклоны? Если они резонансы, вроде фантастического t-кварка, с жизнью длинною в точку, то возникает тот же вопрос, ибо между двумя этими состояниями принципиальной разницы нет. Основной кит, на котором еще держится гипотеза: эксперимент с рассеянием электронов в 50 ГэВ на «точечных центрах» нуклонов (имеющих конечный размер). Но этому есть и другие объяснения. «Ненаблюдаемость кварков обращает теоретическую схему в гипотезу <…> А возможная структура, прежде всего сильновзаимодействующих адронов, может быть обязана их сложной природе существования, непрерывной диссоциации на виртуальные частицы с обратным обращением в состояние исходной элементарной частицы»[9].
______________________
[1] Нуклоны и гипероны составляют группу барионов.
[2] Зельдович Я. Б. Классификация элементарных частиц и кварки «в изложении для пешеходов» / УФН. 1965. Июнь. С. 303—314.
[3] Ibid. С. 312.
[4] С антикварками.
[5] У частиц и античастиц он противоположен.
[6] Климов А. Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. М., 1985. С. 46.
[7] Зельдович Я. Б. op. cit. С. 311.
[8] Мухин К. Экспериментальная ядерная физика. В 3-х тт. Спб.—М.—Краснодар. 2008—2010.
[9] Климов А. Н. op. cit. С. 49.
© φизика и лиρика, MMXXVI
Той же тематики: