Кварковый конструктор. О протоне, его аддонах и спиноффах
В одной из моих публикаций я затрагивал тему распада протона. Суть проблемы: до сих пор не зафиксировано ни одного самопроизвольного распада свободного протона, хотя искусственно «расколоть» протон не составляет труда. Более того, свободные нейтроны вне атома распадаются очень быстро (период полураспада — около 15 минут). Чрезвычайная стабильность протона — залог существования Вселенной и, в частности, залог горения звезд, состоящих в основном из водородной плазмы, то есть, из свободных протонов и свободных электронов (ни те, ни другие частицы в свободном виде не распадаются). При этом не менее интересно, что протон не является подлинно элементарной частицей, а состоит из кварков и глюонов. И здесь у физиков возникают большие вопросы о природе массы протона. С одной стороны, масса протона гораздо больше, чем суммарная масса входящих в него кварков и глюонов. С другой стороны, в 2022 году был поставлен эксперимент, указывающий, что некоторые свойства протона можно объяснить только присутствием в его составе очарованного кварка –, а очарованный кварк сам по себе тяжелее протона. Наконец, я кратко остановлюсь на вкладе вещества и антивещества в массу протона, и расскажу о некоторых экзотических частицах, возникающих при этих взаимодействиях.
Представление об атомах как о подлинно неделимых частицах продержалось в течение почти всего XIX века. Античная атомистическая идея (сформулированная Левкиппом и развитая Демокритом) оставалась чисто философским конструктом, пока в 1803 году английский ученый Джон Дальтон не экстраполировал её на химическую почву. Он предположил, что сохранение массы при химических реакциях объясняется существованием атомов — элементарных частиц, которыми обмениваются химические элементы. Более того, он выдвинул гипотезу, что именно различия в атомном составе объясняют существование разных соединений между одними и теми же элементами. Атомный вес лежит в основе периодического закона, сформулированного Менделеевым в 1869 году. Правда, уже в 1890-е годы неделимость атома была фактически опровергнута: в 1892 году Хендрик Лоренц, изучая катодные лучи, предположил, что они могут состоять из частиц более мелких, чем атомы — «электронов». В 1894 году Анри Беккерель открыл радиоактивность, свидетельствующую о делимости атомов, а в 1897 году Уильям Томпсон доказал существование электронов.
Электрон стал первой из известных элементарных частиц, история открытия которых выходит за рамки этой публикации. Однако, к началу 1940-х и к моменту получения первой управляемой ядерной реакции были сформулированы две фундаментальные модели атома — модель Резерфорда (не учитывавшая квантовую механику) и модель Бора (учитывавшая). Оказалось, что отрицательно заряженные частицы, электроны, находятся на периферии ядра атома, а в центре атома находится ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Ядерные реакции суть расщепление атома. Уже в 1940-е годы появилась возможность изучать продукты ядерных реакций, а значит — изучить, каков состав элементарных частиц, и каковы пределы делимости материи. Классическим аппаратом для описания такой делимости стали диаграммы Фейнмана.
Ричард Фейнман (1918 — 1988) широко известен как один из основателей квантовой электродинамики, популяризатор науки и балагур, заявлявший, что «никто не понимает квантовую механику». Но, на мой взгляд, Фейнман замечателен как один из самых молодых участников Манхэттенского проекта. Он на практике понимал, насколько «весомым, грубым зримым» является деление ядра, а также успел осмыслить и формализовать вероятностную природу и сложнейшую предсказуемость деления мельчайших частиц материи. Диаграммы Фейнмана — не столько физика, сколько математика, позволившая описать внутреннюю структуру элементарных частиц.
Итак, в 1940-е годы удалось не без труда разработать математический аппарат, описывающий, что происходит при соударениях элементарных частиц в ускорителях. По нынешним временам эти опыты были бы сочтены «низкоэнергетическими», но в середине прошлого века они буквально выплеснулись за передний край науки. Оказалось, что результат распада протона (например, при соударении с другим протоном) является вероятностным и зависит, например, от силы соударения. При этом и масса, и размер всех протонов совершенно одинаковы. Математических уравнений для описания этого парадокса не хватало, поэтому в качестве подспорья и появились «импровизированные» диаграммы Фейнмана, а также возник вопрос: из чего же состоят протоны и нейтроны?
В 1960-е годы поиск ответов на эти вопросы привел к открытию кварков и сильного взаимодействия — частиц и явлений, аналога которых в макромире просто не существует. Кварки являются фермионами (как и электрон), но неразделимо связаны в протонах, нейтронах и других частицах сильным взаимодействием. Важнейшее отличие кварков от электрона заключается в дробности их электрического заряда.
Поскольку электрический заряд протона выражается целым числом (+1), уточним, в чем суть этой дробности.
Заряды кварков складываются так: верхний кварк имеет заряд +2/3, нижний кварк имеет заряд -⅓. Соответственно, суммарный электрический заряд протона равен 2/3 + 2/3 — ⅓ = 3/3 = 1. При этом электрический заряд электрона равен -1. По умолчанию количество протонов и электронов в атоме является равным, поэтому цельный атом электрически нейтрален.
Что происходит внутри протона
Когда в 1960-е годы были открыты кварки, представления о микромире изменились раз и навсегда. Кварки оказались подобны электронам (фермионам), но в свободном виде они не существуют. При распаде крупной элементарной частицы (адрона) образуются не отдельные кварки, а новые элементарные частицы, каждая из которых состоит из целого количества кварков. Оказалось, что такая экзотическая межкварковая связь регулируется отсутствующей в макромире физической силой, которая получила название «сильное взаимодействие». Математически выразить суть сильного взаимодействия и связи кварков удалось только в 1973 году, но как теория кварковых взаимодействий (квантовая хромодинамика), так и деление частиц, с эмпирической точки зрения парадоксальны.
Сильное взаимодействие принципиально отличается от электромагнитного в двух отношениях. Во-первых, в электромагнитном взаимодействии участвует всего один вид заряда (электрический), в сильном взаимодействии их три. Они условно обозначены цветами — «красный», «зеленый» и «синий».
Во-вторых, носителем сильного взаимодействия является глюон, обозначенный здесь желтой проволочкой — и также не встречающийся в свободном состоянии за пределами атома. Косвенные доказательства существования глюонов появились ещё в конце XX века. Взаимодействия кварков и глюонов описывает квантовая хромодинамика — теория, с вычислительной точки зрения чрезвычайно сложная даже для современных компьютеров. Дело в том, что явления, описываемые этой теорией, имеют вероятностный характер, а внутри элементарных частиц взаимодействуют как реально существующие, так и виртуальные кварки. Именно по причине этой виртуальной составляющей масса протона гораздо больше, чем общая масса входящих в него кварков. По умолчанию в состав протона входят три кварка: два верхних (up) и один нижний (down). Кварки участвуют как в электромагнитном взаимодействии (поскольку имеют электрический заряд), так и в сильном взаимодействии. Обратите внимание на их цветовые заряды.
Но с учётом вероятностной природы состава протона оказывается, что наряду с этими видами кварков и с глюонами в протоне может содержаться и очарованный (charm) кварк. Более того, наряду с кварками в протонах существуют и антикварки, состоящие из антивещества; они образуют короткоживущие пары с соответствующими кварками. При изменении соотношения между кварками и антикварками возникают похожие на протон экзотические частицы, о которых будет рассказано в конце статьи.
Примерно так протон мог бы выглядеть «под лупой». Но все эти составляющие имеют вероятностный характер: если вслепую вытянуть из протона одну из его составляющих, то с большей вероятностью это окажется кварк (а не глюон), причём в 2/3 случаев будет вытянут верхний кварк, а в ⅓ случаев — нижний кварк.
Вероятностная составляющая протона и очарованный кварк
Именно такая квантовомеханическая вероятностная природа элементарной частицы допускает следующую возможность: в составе протона могут оказаться не только верхние и нижние кварки, но и другие кварки в паре с соответствующими им античастицами (антикварками). Состав протона может отличаться от базового, если протон обладает избыточной энергией (и, соответственно, массой), а это случается, когда протон движется в ускорителе высоких энергий. Эксперимент, призванный проверить, может ли в протоне присутствовать «лишний» очарованный кварк (заряд +2/3, как у верхнего кварка, но масса — 1,25 ГэВ, немногим больше, чем у целого протона — около 0,938 ГэВ). Такой эксперимент был впервые поставлен в Европейской мюонной коллаборации в институте ЦЕРН в 1980 году. Действительно, результаты можно было интерпретировать в пользу этой гипотезы: в протоне мог проявляться очарованный кварк, а вместе с ним — и эквивалентный ему антикварк. Впрочем, эти результаты оспаривались как очень сомнительные, поскольку сложно чётко разграничить состав самого протона и состав той высокоэнергетической среды, в которой он движется в ускорителе. Эксперимент сложен ещё и потому, что различные кварки и антикварки при движении протона в ускорителе рождаются и аннигилируют очень быстро.
Однако в 2022 году Хуан Рохо из Свободного Университета в Амстердаме совместно с коллегами смог сформулировать и поставить новый эксперимент, результаты которого интерпретировались при помощи машинного обучения.
Модель, подготовленная для этого эксперимента, учитывала различные гипотетические структуры протона с учётом масс, зарядов и ароматов кварков. Затем результаты этой модели сравнивались с множеством данных, включавшим показатели более 500 000 реальных столкновений частиц, зафиксированных за много лет — в том числе, в Большом адронном коллайдере.
Использование машинного обучения в данном случае было особенно полезно потому, что компьютер сгенерировал и такие варианты, которые сами учёные просто не могли бы придумать — благодаря этому значительно повысилась объективность выборки.
Оказалось, что, если бы в протонах не встречалась пара из очарованного кварка и очарованного антикварка, то наблюдаемые результаты могли бы наблюдаться только с 0,3% вероятностью. Таким образом, внутри протонов происходят следующие явления, которые кажутся парадоксальными, поскольку не имеют аналогов в макромире:
1. Кроме реальных частиц внутри протона присутствуют виртуальные частицы и античастицы, которые попарно рождаются и аннигилируют (правда, есть мнение, что виртуальных частиц не существует)
2. Когда протоны движутся в ускорителях, возрастает их энергия, а значит и масса, поэтому и набор кварков в протоне с некоторой вероятностью может отличаться от обычной тройки «верхний, верхний, нижний»
3. Кварки не «запечатаны» внутри протона (хотя и не выходят за его пределы), поэтому в ускорителе они могут взаимодействовать как с кварками из других протонов, так и со свободными фотонами и электронами, свободно перемещающимися в ускорителе.
В квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие возникает, когда электрически заряженные частицы обмениваются фотонами (фотон — переносчик электромагнитного взаимодействия). В свою очередь, сильное взаимодействие возникает на минимальных расстояниях, в основе этого взаимодействия лежит цветной заряд кварков, а переносчиком такого взаимодействия является глюон. Если электромагнитное взаимодействие между частицами сильнее всего при плотном контакте, а при удалении частиц друг от друга ослабевает, то сильное взаимодействие, напротив, усиливается даже при минимальном удалении кварков друг от друга — и поэтому прочно связывает их в протоне (нейтроне, других частицах). Поэтому размер протона составляет лишь около 0,85 фемтометров. При этом только 1–2% массы протона приходится на массу входящих в него верхних и нижних кварков и глюонов, а вся остальная масса протона возникает из энергии сильного взаимодействия. Именно поэтому в составе протона вполне могут возникать и более экзотические кварки и антикварки, при наличии высокой энергии столкновений, достижимой в ускорителях.
О протонах и некоторых экзотических атомах
Выше я изложил, каким образом, согласно современным представлениям, в протоне сочетается конкретная и вероятностная составляющая. При привычных нам низких энергиях в состав протона входит три кварка. Но в ускорителях, где энергия протона многократно возрастает, в нём могут на минимальное время возникать пары других кварков и антикварков. В том числе — очарованный кварк, более тяжелый, чем протон. Но сами кварки, существующие только внутри более крупных элементарных частиц, являются фермионами, поэтому сближаются по свойствам с электроном и позитроном (античастией, противоположной электрону и имеющей заряд +1). Электрон и позитрон, в отличие от кварков, не входят в состав атомного ядра, а встречаются в свободном виде.
Но опыты с кварковым составом протона позволили не только уточнить природу и точную величину его массы, но и искусственно получить несколько экзотических атомов, напоминающих водород. Обычный атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Таким образом, в атом водорода-протия входят четыре фермиона: верхний, верхний и нижний кварк с суммарным зарядом +1 образуют ядро этого атома, а электрон с зарядом -1 находится в электронной оболочке. Но известно ещё несколько экзотических атомов, похожих на водород-протий, но отличающихся от него по кварковому составу.
Все эти совокупности частиц можно считать атомами, поскольку они электрически нейтральны, могут вступать в электромагнитные взаимодействия и химические реакции. Слева показан обычный водород, состоящий из протона (заряд +1) и электрона (заряд -1).
Сверху показан протоний. Это экзотический атом, впервые зафиксированный в опытах ЦЕРН в 1988 году. Представляет собой пару из протона (заряд +1) и антипротона (заряд -1), вращающихся вокруг друг друга. Кварковый состав антипротона — два верхних антикварка и нижний антикварк. Время жизни протония в зависимости от уровня энергии — от 10–11 до 10–6 с.
Справа показан антиводород. Это атом, состоящий из антипротона (заряд -1) и позитрона (заряд +1). Впервые получен в ЦЕРН в 1995 году группой Вальтера Олерта. Время жизни такого атома в лабораторных условиях доведено до 17 минут.
Снизу показан позитроний. Это миниатюрный экзотический атом, состоящий из электрона и позитрона. Электрон и позитрон обладают спином (моментом вращения), и их спины могут быть сонаправленными или разнонаправленными. В первом случае образуется ортопозитроний, во втором — парапозитроний. Впервые позитроний был обнаружен в 1951 году Мартином Дойчем.
Ортопозитроний живет гораздо дольше, чем парапозитроний: 138,6 нс против 0,12 нс.
Масса водорода, антиводорода и протония отличается незначительно, а позитроний гораздо легче их всех. Но именно эти небольшие отличия в массе экзотических ядер позволяют с высокой точностью вычислять массы отдельных кварков, а также тот вклад в массу, который даёт сильное взаимодействие. Кроме того, эти опыты и частицы позволяют точнее понять природу сильного взаимодействия и готовят базу для попыток сымитировать или воспроизвести сильное взаимодействие в макромире (постепенно увеличивая искусственно получаемые совокупности разнообразных кварков). Возможно, такие опыты откроют путь к стабильному получению антивещества (эта тема заслуживает отдельной статьи), а также к контролируемому превращению вещества в антивещество и обратно — без аннигиляции. По-видимому, предел делимости материи, наконец, достигнут, но возможности её низкоуровневой пересборки перед нами только начинают открываться.
