«Три кварка для мистера Марка!»

Выше уже говорилось, что элементарные частицы нельзя разделить на более и менее элементарные, все они равноправны. Однако их можно распределить по семействам, связанным между собой правилами родства. Так же, как в настоящем зоопарке, где звери распределены по родам, семействам, отрядам. Для элементарных частиц роль родственных связей играют правила симметрии: частицы укладываются в симметричные по своим свойствам группы. Сложные семейства, насчитывающие десятки частиц-членов, расщепляются на более простые подсемейства, те — на еще более простые. В целом получается таблица, которую можно назвать периодической системой элементарных частиц.

Самое простое семейство в ней, лежащее в основе всех других, занято частицей, имеющей три состояния. (Вспомним снова аналогию с электрической лампочкой, которая меняет свой цвет! Но вот что смущает: правила симметрии приводят к выводу, что заряд этой частицы (назовем ее пока частицей «икс») меньше, чем у электрона. В одном состоянии (лампочка горит белым светом) он составляет треть заряда электрона, в двух других (синий и красный цвет) — две трети. Однако дробных зарядов никто никогда не встречал. С давних времен хорошо известно, что электрический заряд всех тел всегда — целое кратное заряда электрона (нуль тоже целое число!).

Настораживают и другие характеристики икс-частицы. По одним свойствам ее следует считать нуклоном, по другим — мезоном. В некоторых отношениях она должна вести себя, как типичная странная частица, в других же аспектах она похожа на обычные, нестранные частицы. Все у нее не так, как у «нормальных частиц»!

В древних мифах упоминаются кентавр, получеловек-полулошадь и сфинкс — существо с лицом человека и с туловищем льва. Подобным фантастическим гибридом в глазах физиков выглядит и частица икс. Вообразите на минутку, что вы видите сфинкса, мирно пасущегося в стаде коров, или большого черного морского конька с зонтиком среди гуляющей по морскому берегу публики. Можно представить, как бы вы удивились! Вот так же встретило предсказанную теоретиками икс-частицу и большинство физиков — с недоверием и подозрительностью, а некоторые так просто с юмором, как очередной «загиб» досужих на выдумки теоретиков.

С другой стороны, если сложить три икс-частицы вместе, то в зависимости от того, какие состояния «иксов» выбраны для сложения, эта триада приобретает свойства протона, нейтрона или одной из более тяжелых частиц гиперонов. Невольно приходит мысль, что удивительные «иксы» как раз и являются теми первичными блоками-кирпичиками, из которых можно составить все другие частицы подобно тому, как из протонов и нейтронов складываются ядра всех химических элементов в таблице Менделеева.

Первыми эту идею выдвинули два американских теоретика — Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг. Они же придумали и название икс-частице — кварк.

О происхождении этого странного термина среди физиков в ходу две легенды. Согласно одной, он появился как шутка — в немецком языке слово «кварк» означает одновременно: «творог», «протоплазма» и… «чепуха». Поначалу придумавшие кварк теоретики с юмором относились к своему изобретению. Другая легенда утверждает, что это слово взято из романа Джойса «Поминки по Финнегану». В бредовом сне герой этого романа видит летящие за его кораблем чайки, которые человеческими голосами выкрикивают бессмысленную фразу: «Три кварка для мистера Марка!» Вот этим коротким гортанным словом из «области бреда» и воспользовались теоретики.

Когда кварки замелькали на страницах теоретических статей, многие ученые считали их всего лишь неким курьезом, временными строительными лесами на пути к более совершенной теории. Однако не успели физики оглянуться, как оказалось, что с помощью кварков очень просто и наглядно объясняются самые различные экспериментальные факты, а теоретические вычисления сильно упрощаются. Без кварков стало просто невозможно обойтись, так же, как, например, в химии нельзя обойтись без атомов и молекул.

В теории Гелл-Мана и Цвейга нуклон, гипероны и другие похожие на них тяжелые частицы состоят из трех кварков. Мезоны состоят из «слипшихся» кварка и антикварка. Последние — такие же «сердитые» родственники, как электрон и позитрон. Их электрические заряды отличаются знаком, а столкнувшись, они могут в пух и прах разнести друг друга — аннигилировать. Но это происходит не всегда. Иногда бывает так, что вместо взаимоуничтожения частица и античастица, как борцы на арене цирка, начинают кружиться одна вокруг другой. Образуется короткоживущая система, где частицы погружены в общую энергетическую «ванну».

С помощью «кваркового конструктора» можно построить всю таблицу элементарных частиц — иногда простым сложением, а иногда придавая дополнительное вращение «частям» уже построенных частиц. Исключение составляют упрямые лептоны, их никак не удается породнить с кварками. Почему это так, мы выясним позднее, а пока будем иметь дело лишь с адронами. Их намного больше, чем лептонов. (Если кто-то забыл, чем отличаются адроны от лептонов, полезно вернуться на несколько страниц назад и еще раз прогуляться по «зоопарку» частиц.)

Подобно тому как это было когда-то с периодическим законом Менделеева для химических элементов, кварковая систематика позволила вычислить параметры и предсказать поведение новых частиц, которые затем были открыты на опыте. Но сами кварки по-прежнему оставались чисто теоретическими объектами. О них много говорили и писали, но они упорно не хотели проявлять себя в опытах.

Вот тут-то и вышли на арену феймановские партоны. Оказалось, что внутри протона и нейтрона ровно по три партонных икринки и параметры их в точности такие, как у кварков. В частности, их заряд равен 1/3 и 2/3 электронного. Точнее, один тип партонов имеет заряд -1/3, два других +2/3. Три типа партонов — три состояния кварка. Стало ясно, что партоны и кварки — это одни и те же частицы. Теоретики и экспериментаторы пришли к ним с разных сторон.

Казалось бы, наконец-то удалось свести концы с концами. Однако счастье никогда не бывает полным, и в любой бочке меда есть своя ложечка дегтя. Физиков очень беспокоило то, что в свободном виде, так сказать, наяву, кварки никто не наблюдал, хотя с тех пор как их изобрели, прошло уже достаточно много времени. Почему кварки встречаются лишь связанными в пары и тройки? Получается так, что, подобно подпоручику Киже в известном рассказе Юрия Тынянова, кварки «присутствуют, но фигуры не имеют»! В чем же здесь дело? Может, мы в чем-то здорово ошибаемся и кварковый этаж природы устроен совсем не так, как мы его себе представляем?