Слово «кварк» появилось в романе Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где звучит фраза «Три кварка для мистера Марка!». Что именно означало это слово, для многих осталось неясным, но оно понравилось физикам, и, когда в 60-е годы ученые занимались построением теории элементарных частиц, слово пригодилось. Нужно уточнить, что под элементарными частицами в то время понимали в основном то, что мы сейчас называем «барионы» или «мезоны»; типичные их представители – это протон и нейтрон, которые образуют атомное ядро. Использовать термин «кварк» предложил американский физик, лауреат Нобелевской премии Мюррей Гелл-Манн в связи с выдвинутой им моделью построения барионов и мезонов из кварков. Другой автор этой гипотезы, Дж. Цвейг, предложил называть их тузами, но слово не привилось.

1.Русская матрешка

Природа, как мы сейчас понимаем, построена по принципу русской матрешки, в которой есть несколько слоев. Мы открываем каждый раз новый слой, и там появляется что-то новое. Так и в природе: есть атом, в нем атомное ядро, которое в свою очередь состоит из протонов и нейтронов. Когда-то ученые думали, что эти протоны и нейтроны и есть элементарные частицы. Потом оказалось, что таких частиц гораздо больше. Сначала в космических лучах, потом на ускорителях стали открывать все новые и новые частицы, их образовалось несколько десятков, и возникло желание как-то их классифицировать, создать систему наподобие таблицы Менделеева, где все эти частицы занимали свои места.

2.Восьмеричный путь

Оказалось, что можно этого добиться, если предположить, что протоны, нейтроны, к-мезоны, ро-мезоны и другие элементарные частицы, которые открыли физики, состоят из еще более мелких составляющих, которые и предложили назвать кварками. Для того чтобы составить все известные на то время частицы, достаточно было всего трех таких вот «кирпичиков». Эти составляющие получили названия «верхний», «нижний» и «странный» – u, d и s (от английских слов up, down и strange).

За этими кубиками стояла определённая математическая конструкция – «теория групп», которая говорила о том, что все частицы должны образовывать некие «семейства». Эти семейства могли состоять из трех, восьми, девяти или десяти частиц. Оказалось, что все элементарные частицы, которые к тому времени были открыты, очень хорошо укладывались в эти самые «семейства». При этом в них ещё оставались незанятые места, которым должны были соответствовать новые частицы. Эти частицы были впоследствии открыты. Такой путь построения частиц получил название «восьмеричный путь».

3.Очарованная физика

Однако в 1974 году была открыта новая частица, которая не укладывалась в эту схему. Оказалось, что для того, чтобы ее объяснить, пришлось придумать еще одну частицу, еще один кварк, четвертый.

Курс | Структура материи

9 лекций о строении вещества Вселенной и частицах, ее составляющих, отобранных физиком Михаилом Даниловым

Более того, когда физики пытались построить теорию, которая объясняет не просто наличие частиц, а описывает их свойства, взаимодействие, взаимные превращения, три кварка оказались неудачной комбинацией, поскольку некоторые распады частиц, которые в природе почему-то не обнаружены, в этой теории, наоборот, происходят. И тогда поняли, что вот если бы было четыре кварка, то тогда эти распады были бы подавлены, и всё пришло бы в соответствие с наблюдениями.

Четвертый кварк получил название «очарованный кварк», или по-английски charmed, с-кварк. Он породил целую «физику очарования». Через некоторое время открыли пятый кварк, который получил название b-кварк, по-английски от слова bottom, или от английского слова beauty, то есть «прелестный» или «прекрасный».

Кварков стало пять, и опять возникла та самая проблема с подавлением нежелательных распадов. Тогда стали искать шестой кварк. И в конце прошлого века он был найден, его назвали t, или top, или truth, и в результате появилась система из шести кварков.

4.Поколения кварков

Но когда кварков стало шесть, стали думать уже не просто о том, что все частицы строятся из них, а о собственной классификации самих кварков. Оказалось, что кварки обладают специфическим свойством: они группируются в пары и обладают абсолютно идентичными свойствами внутри них. Первая пара – это u- и d-кварки, которые были с самого начала, вторая пара – это c- и s-, и третья пара – это top и bottom. Единственное, что их отличает: каждая следующая пара тяжелей предыдущей.

И тогда возникла идея, что частицы образуют так называемые «поколения». Существуют три поколения: первые пара кварков – это первое поколение, вторая пара – второе поколение, третья пара – это третье поколение, и они абсолютно идентичны, только одно поколение старше другого. На языке физики «старше» означает в данном случае «тяжелее». То есть существуют три поколения, и возникает вопрос: почему, собственно, нужно три поколения? На этот вопрос есть ответ, но связан он уже со свойствами Вселенной, точнее с барионной асимметрией Вселенной – неравенством числа барионов и антибарионов.

5.Свойства кварков

У протона есть электрический заряд. В единицах заряда электрона этот заряд равен +1. У нейтрона заряда нет. У кварков, если они образуют протоны и нейтроны, должен быть такой электрический заряд, чтобы в сумме получился нужный заряд протона и нейтрона. Поскольку протон состоит из трех кварков, то весьма естественно предположить, что электрический заряд кварка кратен одной трети. Вот так мы и выбираем: электрический заряд u-кварка – две трети, d-кварка – минус одна треть. Значит, как протон строится из кварков – uud: две трети плюс две трети минус одна треть получается +1. А как нейтрон строится – udd: две трети минус одна треть минус одна треть получается ноль.

FAQ: Три поколения кварков

7 фактов о прелестных и очарованных частицах

Все барионы – сильновзаимодействующие частицы, имеющие полуцелый спин, то есть спин одна вторая, три вторых и так далее, – состоят из трех кварков. Каждый кварк имеет спин одна вторая. И из трех этих половинок набирается полуцелый спин бариона. Мы всегда строим комбинации из трех кварков. А мезоны имеют спин ноль, поэтому они строятся из двух кварков: со спином либо плюс половинка, либо минус половинка. Вот так, например, известный π-мезон – переносчик ядерных сил – имеет спин ноль, а заряд у него бывает либо плюс один, либо минус один, либо ноль. Он состоит из двух кварков, точнее из кварка и антикварка.

У всех частиц есть античастицы, так же и у кварков они есть. Античастицы имеют противоположный электрический заряд. Вот если мы возьмем, скажем, u-кварк и анти-d-кварк: u-кварк – это заряд две трети, у d-кварка – минус одна треть; соответственно, у анти-d – плюс одна треть; значит, две трети плюс одна треть равняется единице. Вот получается π-мезон. И так все остальное.

Таким образом из кварков с дробными зарядами строятся все наблюдаемые элементарные частицы, как барионы, так и мезоны.

Дмитрий Казаков

доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Лаборатории теоретической физики ОИЯИ, специалист по изучению суперсимметрии, участник физического эксперимента в Большом адронном коллайдере.