Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй - Лоуренс Краусс

Еще одна проблема с кварками состояла в том, что поскольку протоны и нейтроны участвуют в слабых взаимодействиях и при этом состоят из кварков, то кварки тоже, по идее, должны участвовать не только в сильных, но и в слабых взаимодействиях. Гелл-Манн в свое время определил три разных типа кварков, из которых, по его мнению, строились все известные на тот момент сильно взаимодействующие частицы. Мезоны можно было сконструировать из пар кварк – антикварк. Протоны и нейтроны могли состоять из трех кварков с дробными зарядами, которые Гелл-Манн бесхитростно назвал верхними (u, up) и нижними (d, down) кварками. Протон включал в себя два u-кварка и один d-кварк, а нейтрон – два d-кварка и один u-кварк. В дополнение к этим двум типам кварков еще один тип – более тяжелая версия d-кварка – требовался для построения экзотических новооткрытых элементарных частиц. Гелл-Манн назвал этот кварк странным (s, strange); при этом говорилось, что частицы, в которых s-кварк содержится, обладают «странностью».

Когда впервые появилась гипотеза о нейтральных токах как составной части слабого взаимодействия, возникла проблема. При взаимодействии с Z-частицами u-, d- и s-кварки могли оставаться u-, d- и s-кварками и до, и после взаимодействия посредством нейтрального тока, точно так же как электроны остаются электронами и до, и после такого взаимодействия. Однако поскольку d- и s-кварки обладают в точности одинаковыми электрическим зарядом и изотопическим спином, ничто не должно мешать s-кварку превратиться в d-кварк при взаимодействии посредством Z-частицы. Это позволило бы частицам, включающим в себя s-кварки, распадаться с образованием частиц, в состав которых входят d-кварки. Но никаких подобных «меняющих странность» процессов не наблюдалось, несмотря на высокую чувствительность экспериментов. Что-то было не так.

Это отсутствие «меняющих странность нейтральных токов» сумел блестяще объяснить, по крайней мере в принципе, Шелдон Глэшоу в соавторстве с Джоном Илиопулосом и Лучано Майани в 1970 г. Эти ученые восприняли кварковую модель всерьез и предположили, что если существует четвертый кварк, получивший название очарованного (c, charm), с таким же зарядом, как у u-кварка, то при вычислении частоты превращения s-кварка в d-кварк произойдет замечательное математическое сокращение – и изменяющие странность нейтральные токи будут подавлены, в полном согласии с результатами экспериментов.

Более того, из этой схемы начинала вырисовываться красивая симметрия между кварками и такими частицами, как электроны и мюоны, в которой все их можно было разбить на пары, связанные со слабым взаимодействием. Парой для электрона при этом становилось его собственное нейтрино, и для мюона аналогично. Верхний и нижний кварки также образовывали пару, а очарованный и странный кварки – вторую. Тогда W-частицы, взаимодействуя с одной из частиц в каждой паре, превращали бы их во вторую частицу той же пары.

Однако ни один из приведенных аргументов не решал центральной проблемы сильного взаимодействия между кварками. Почему никто никогда не видел ни одного кварка? И если сильное взаимодействие действительно описывается калибровочной теорией с глюонами в качестве калибровочных частиц, то как, хотя бы в принципе, можно увидеть глюон? Наконец, если глюоны действительно не имеют массы, то почему сильное взаимодействие имеет такой малый радиус действия?

Эти проблемы, по мнению некоторых ученых, указывали на то, что квантовая теория поля – негодный подход к пониманию сильного взаимодействия. Фримен Дайсон, сыгравший такую важную роль в разработке первой успешной квантовой теории поля – квантовой электродинамики, утверждал, имея в виду сильное взаимодействие: «В ближайшие сто лет верная теория не будет найдена».

Одним из тех, кто был убежден, что квантовая теория поля обречена, был блестящий молодой теоретик Дэвид Гросс. Как ученик Джеффри Чу – автора бутстрап-гипотезы о ядерной демократии, в которой элементарные частицы представляли собой всего лишь иллюзию, прикрывающую структуру, в которой реальны были только симметрии, но не частицы, – Гросс был прекрасно подготовлен и решительно настроен прикончить квантовую теорию поля раз и навсегда.

Не забывайте, что даже в конце 1965 г., когда Ричард Фейнман получал свою Нобелевскую премию, процедура, которую он и другие ученые разработали для избавления от расходимостей в квантовой теории поля, все еще считалась своего рода фокусом; многие полагали, что на малых масштабах что-то капитально не так с картиной, которую представляет квантовая теория поля.

В 1950-е гг. советский физик Лев Ландау показал, что электрический заряд электрона зависит от масштаба, на котором вы его измеряете. Виртуальные частицы выскакивают из ниоткуда в пустом пространстве, так что электроны и все остальные элементарные частицы окружены облаком виртуальных пар частица – античастица. Эти пары экранируют заряд в точности так же, как экранируется заряд в диэлектрических материалах. Положительно заряженные виртуальные частицы стремятся теснее окружить отрицательный заряд, поэтому на некотором расстоянии физические эффекты исходного отрицательного заряда снижаются.

Это означало, по мнению Ландау, что чем ближе подходишь к электрону, тем больше будет казаться его реальный заряд. Если при измерении на больших расстояниях мы получаем для заряда электрона некую конкретную величину, как и происходит на самом деле, то это должно означать, что «чистый» заряд на электроне, то есть заряд на фундаментальной частице, рассматриваемый без учета всей бесконечной оболочки в виде пар частица – античастица, окружающих ее на все более мелких масштабах, должен быть бесконечным. Ясно, что с этой картиной что-то откровенно не так.

Гросс находился под влиянием не только своего научного руководителя, но и преобладающих взглядов того времени, в первую очередь аргументов Гелл-Манна, единолично доминировавшего в теоретической физике конца 1950-х – начала 1960-х. Гелл-Манн считал, что нужно использовать алгебраические соотношения, возникающие из размышлений о теориях поля, а затем сохранить эти соотношения, отбросив при этом теорию поля. Он заявлял, очень по-гелл-манновски описывая ситуацию: «Мы могли бы сравнить этот процесс с методом, который иногда используется во французской кухне: кусок фазаньего мяса готовится между двумя ломтиками телятины, которые затем выбрасывают».

Таким образом, можно было вычленить потенциально полезные для предсказаний свойства кварков, а затем игнорировать возможность реального существования кварков. Однако Гросса уже не устраивало простое использование идей, связанных с глобальными симметриями и алгебрами, он хотел исследовать динамику, которая могла бы по-настоящему описывать физические процессы внутри сильно взаимодействующих частиц. Гросс и его соавтор Кёртис Каллан опирались на более раннюю работу Джеймса Бьёркена и хотели показать, что заряженные частицы, расположенные, судя по всему, внутри протонов и нейтронов, должны иметь спин ½, то есть точно такой же, как у электронов. Позже, уже с другими соавторами, Гросс показал, что при аналогичном анализе рассеяния нейтрино на протонах и нейтронах данные ЦЕРН демонстрируют, что эти компоненты выглядят в точности как кварки, существование которых предположил в свое время Гелл-Манн.