цеглинки Всесвіту
У Стандартної моделі - основний теорії, яка пояснює будову Всесвіту, є три типи частинок: кварки, лептони і калібрувальні бозони. Останні - це так звані частки-переносники чотирьох типів фундаментальних фізичних взаємодій (наприклад, фотон відповідає за електромагнітні сили), а решту складають звичну, відчутну матерію. Лептони (тип частинок, до яких відносяться електрони або нейтрино) мають порівняно малими масами і можуть існувати у вільній формі, а кварки назавжди пов'язані один з одним ланцюгами сильної взаємодії.
Зараз вважається, що вони можуть існувати тільки парами - тоді кварки формують частинки, звані мезонами, або трійками - такі частинки називаються баріонами (наприклад, протон і нейтрон - це як раз адрони, кожен з них складено з трьох кварків). Але після того, як на коллайдерах були відкриті частки, що складаються з чотирьох і п'яти кварків, класичні уявлення Стандартної моделі вже здаються неповними.
- Як і коли були відкриті самі кварки?
- У середині 60-х років минулого століття знали вже багато елементарних частинок, але абсолютно не розуміли, як вони влаштовані. Були протони, були нейтрони, на прискорювачах і в космічних променях знайшли пі-мезони, K-мезони, і ось в 1964 році американський фізик Марі Гелл-Ман запропонував просту теорію, в якій всі ці елементарні частинки можна було скласти всього з трьох різних кварків . Поступово їх кількість збільшили до шести, всередині тих же протонів, дійсно, знайшли «неоднорідності», які ототожнили з кварками, але їх самих у вільному стані ніхто досі не бачив. Це називається конфайнментом: вибити одиночний кварк з мезона або адрону, за сучасними уявленнями, просто неможливо.
- Чому кварки неможливо розділити?
- Кварки зчеплені між собою сильним взаємодією, і, коли ми намагаємося їх розтягнути, вони починають притягуватися один до одного все більше. Таке важко уявити, але це властивість природи. Коли ми розводимо два електричних заряду, вони взаємодіють все слабше, коли ракета виходить в космос, вона все менше притягується до Землі - це властивості гравітаційного і електромагнітного взаємодій, а ось з сильним все навпаки. Щоб розвести кварки, нам потрібно вкласти в систему стільки енергії, що її вже вистачить на появу нових кварків, які миттєво знову зберуться в пари і трійки з початковими кварками. Тому в фізиці елементарних частинок введена особлива величина, яка називається колірним зарядом. Самі кварки можуть бути червоними, синіми, зеленими або антікраснимі, антісінімі і антизелена, а в природі вони можуть спостерігатися тільки в складі безбарвних комбінацій: парами, трійками або навіть четвірками, як у випадку нашої нової частинки. Наприклад, протон складається з двох верхніх кварків - одного синього і одного червоного - і одного нижнього кварка зеленого кольору. В результаті з трьох кольорів виходить безбарвна комбінація.
- Виходить, кварки можуть в буквальному сенсі з'являтися з нізвідки? Просто народжуватися з згустків енергії?
- Так. Кожна елементарна частинка - це в певному сенсі просто маса або, що те ж саме, енергія. При цьому багато хто з них за мірками макроскопічного світу живуть дуже мало, зникаючі частки секунди. Після цього вони розпадаються, і з цієї ж самої енергії утворюються інші частинки. Наприклад, пі-мезон розпадається на мюон і нейтрино, нейтрон у вільному стані - на протон, електрон і нейтрино, а бозон Хіггса вміє розпадатися навіть різними способами: він може розвалитися на пару чарівних кварків, на пару фотонів, на пару Z-бозонів і т.д. Так що елементарні частинки постійно розпадаються, перетворюючись в невелику кількість стабільних, довгоживучих частинок, таких як електрон, фотон, нейтрино і протон.
- Як відкрили новий тетракварк?
- Наскільки ви впевнені, що це дійсно тетракварк, а не шуми?
- А може так виявитися, що це не тетракварк, а, наприклад, своєрідний атом з двох близько розташованих мезонів?
- Тут нам трохи допомагають теоретики. Вони можуть порахувати енергію зв'язку в такому атомі, і, виявляється, вона відносно невелика - на рівні 5-10 МеВ. Тобто такий гіпотетичний об'єкт легко розірвати на два мезона, а в нашому випадку енергія зв'язку становить близько 100 МеВ - це жорсткий, сильно пов'язаний об'єкт. Таких стійких молекул швидше за все не буває. Так що, швидше за все, це саме чотири кварка, щільно пов'язаних між собою в одну частинку.
- На інших прискорювачах вже теж відкривали тетракварк і пентакваркі. Нова частинка схожа на них?
- Так, на Великому адронному колайдері (ВАК) знайшли пентакварк. на прискорювачі KEKB в Японії - тетракварк Z (4430), в інших експериментах теж знаходили схожі частки. До речі, спочатку ми теж полювали за тим самим пентакварков, який знайшли на БАК, але нам не вистачило статистики, і ми стали шукати частки з трохи іншими енергіями - застосували експериментальну інтуїцію. Z (4430) ж трохи легше нашого і складається з інших кварків: зачарованого кварка, зачарованого антікварка, верхнього і нижнього. Це все кварки першого і другого покоління, тобто порівняно легкі і поширені. А в нашій частці замість зачарованих кварка і антікварка є дивний кварк з другого покоління і важкий чарівний кварк з третього.
- Такий склад став несподіванкою?
Знаєте, зараз взагалі не існує оптимальної моделі, яка б пояснювала, як утворюються або розпадаються частинки з більш ніж трьох кварків. Тому кожне нове відкриття стає сюрпризом і несе дуже багато корисної інформації.
Експериментатори шукають якомога більше нових частинок з новим будовою, а теоретики думають над моделлю, яка може пояснити таку многокварковую конфігурацію. Тепер ми показали, що одиничну частку можуть утворювати кварки відразу трьох поколінь і чотирьох різних типів - такого раніше не було.
- Раніше думали, що можливі тільки двухкварковие і трехкварковие частки. Тепер відкрили тетракварк і пентакваркі. Що далі: чекати чи частинок з шести або, скажімо, 10 кварків?
- Теоретично ніяких заборон на частки більш ніж з трьох кварків немає. Але інтуїція підказує, що якщо і є частинка, скажімо, з шести кварків, то її маса настільки велика, а час життя настільки маленьке, що зареєструвати її практично неможливо. Це як з хімічними елементами в таблиці Менделєєва. Можна все більше і більше набирати протонів і нейтронів, але в якийсь момент їх сумарна маса стане настільки великий, що ядро стане нестійким. Такі елементи дуже швидко розпадаються. Звичайно, нові ядра постійно створюють в Дубні. але це стає все складніше. Підозрюю, що щось подібне може статися і з кварками, але тільки їх критична кількість набагато менше.
- Чому зараз стали відкривати так багато нових частинок?
- Сильно збільшилася кількість експериментів на прискорювачах і їх можливості. Тому за останні 10-12 років відкрили вже кілька десятків нових частинок, і я не виключаю, що далі буде ще більше. Працює БАК, скоро перевідкривається KEKB в Японії - тепер інтенсивність потоків позитронів і електронів, які там зіштовхують, стане вище в 40 разів. До речі, в 60-і роки минулого століття, за моїми оцінками, було знайдено кілька десятків часток, які до появи кварковой моделі безуспішно намагалися класифікувати. Так що кількісні вимірювання фізиків-експериментаторів в якийсь момент повинні перерости в якісне розуміння, нову теорію. Коли ми тільки послали нашу статтю в журнал і виклали її препринт, за кілька наступної доби з'явилося відразу шість теоретичних робіт по нашим результатам. Але коли створять єдину модель для нових многокваркових частинок, поки незрозуміло. Це може зайняти і кілька років, і кілька десятків років.
- Нова теорія зможе вписатися в Стандартну модель?
- Швидше за все, це буде розширення Стандартної моделі, якась нова класифікація частинок в її рамках. Все-таки ми говоримо, що тетракварк і пентакваркі складаються з тих же самих кварків і скріплюються тим же самим сильним взаємодією - треба тільки зрозуміти, як це відбувається. Правда, може бути, я кілька утрирую: ми ж з вами, зрештою, теж складаємося з протонів, нейтронів і електронів, але навряд чи коли-небудь зможемо до кінця зрозуміти, як з елементарних частинок складається людина. Так і з новою класифікацією: можливо, тут потрібно принципово нове розуміння сил, що діють між кварками.
- А може так виявитися, що самі кварки складаються з інших, ще більш дрібних частинок?
- Це перевіряється на кожному новому прискорювачі: насамперед фізики намагаються «розбити» кварк і заглянути до нього всередину. Але поки нічого такого не видно. Кварк залишається абсолютно точкової часткою у всіх експериментах. Але особисто я впевнений, що напевно є щось більш глибоке і фундаментальне.
- Яких експериментальних відкриттів в області фізики елементарних частинок ви чекаєте найбільше?
- Мені б дуже хотілося побачити частинку, яка відповідає за темну матерію. Це дуже цікава загадка, в якій стикається астрофізика і фізика елементарних частинок. Спостереження опосередковано вказують, що ми можемо знайти таку частку на прискорювачах або в космічних променях. До речі, я зараз в CERN оцінюю проекти майбутніх експериментів на ВАК і бачу, що всі найсучасніші результати фізики елементарних частинок добре узгоджуються зі Стандартною моделлю. Так що принципово нову фізику потрібно шукати саме в темної матерії - складно поки уявити, щоб її можна було описати в рамках Стандартної моделі.