Что такое очарованный кварк и почему он такой необычный?

Существует шесть разновидностей кварков, включая одну, известную как «странная». Однако в мире очень малого, где царит квантовая физика, многие вещи странны, и, возможно, очарованные кварки еще более странны и необычны.

И верхние, и нижние кварки тяжелее, чем очарованные кварки (в случае верхних кварков — значительно), но в прошлом году было обнаружено, что очарованные кварки, будучи составным компонентом протонов, тяжелее самого протона. Итак, какова их история и как так получается?

Обнаружив, что предположительно неделимые атомы вместо этого состоят из протонов, электронов и нейтронов, физики затем узнали, что из них только электроны могут быть элементарными частицами.

Вместо этого протоны и нейтроны представляют собой составные частицы. Их компоненты обычно состоят из трех частей, что вдохновило физика Мюррея Гелл-Манна выбрать странное название для них из строки «Три кварка для Мастера Марка» из романа «Поминки по Финнегану».

Первоначально предполагалось наличие трех типов кварков, известных как «ароматы»; верхний, нижний и странный. Казалось, это хорошо сочетается с их склонностью образовывать триады, хотя странный кварк встречается гораздо реже остальных. Протоны, как впоследствии узнали, состоят из двух верхних кварков и одного нижнего, а нейтроны — из двух нижних и одного верхнего.

Даже когда кварки были твердо идентифицированы как составляющие более экзотические частицы, эта довольно простая картина оказалась неадекватной. Во-первых, кварки не обязательно должны быть в тройке; мезоны — это частицы, состоящие всего из двух кварков, а во-вторых, недавно ученые стали открывать тетракварки, состоящие из четырех частиц и даже пентакварки.

Вскоре стало ясно, что для объяснения поведения слабого ядерного взаимодействия необходим четвертый кварк. Шелдон Глэшоу и Джеймс Бьоркен предсказали атрибуты этой частицы и назвали ее очарованным кварком, что помогло Шелдону Глэшоу получить Нобелевскую премию по физике 1979 года.

Он сказал, что такое название произошло из-за «симметрии, которую он привнес в субъядерный мир», уравновешивая количество известных кварков и лептонов. Он также ассоциировал его с защитой от «зла». Очарованный кварк предотвратил распад частиц, предсказанный теорией трех кварков, что может выглядеть зловещим для физика элементарных частиц.

Попытки найти доказательство существования очарованного кварка в конечном итоге оказались успешными. Эксперименты показали, что заряд очарованных кварков составляет две трети заряда протона, а масса оценивается примерно в 1,275 МэВ по сравнению с 2,3 и 4,8 МэВ для более распространенных верхних и нижних кварков.

Однако масса несколько спорна. Поскольку кварки существуют не как изолированные частицы, а как компоненты других составных частиц, их массы невозможно измерить напрямую, и оценки различаются. Тем не менее, нет никаких сомнений в том, что очарованные кварки намного тяжелее, чем более распространенные кварки. Что еще более важно для странности, они также более массивны, чем целые протоны.

Их большая масса по сравнению с верхними, нижними и даже странными кварками означает, что их не так-то легко произвести. Тем не менее, значительное количество энергии, высвобождаемой при аннигиляции друг друга частицами материи и антиматерии, может привести к образованию частиц, содержащих очарованные кварки, равно как и распад еще более массивных W- и Z-бозонов, носителей слабого ядерного взаимодействия.

В свою очередь, очарованные кварки могут распадаться на нижние или странные кварки.

Каким бы массивным ни был очарованный кварк, он имеет менее трети массы нижнего кварка и менее сотой доли верхнего кварка.

Частицы, обычно состоящие из очарованных кварков, такие как D-мезон, имеют время жизни, измеряемое миллиардными долями секунды или меньше. Физики пока не могут их изучать, они просто определяют их присутствие по вещам, на которые они распадаются.

Все это привело к поистине ошеломляющему заявлению в прошлом году. Одной из особенностей физики элементарных частиц является то, что некоторые частицы ненадолго возникают и снова исчезают.

Со временем это может создать только вероятность существования, а не существование в определенном состоянии. Частица, которая находится там половину времени, имеет 50-процентную вероятность присутствия (существования). Она также вносит лишь 50 процентов своей массы в составную частицу, внутри которой она одновременно находится и не находится.

На протяжении десятилетий физики предполагали, что в дополнение к двум верхним и одному нижнему кваркам протоны могут содержать более тяжелые кварки с низкой вероятностью присутствия. В прошлом году ученые нашли доказательства этой идеи в отношении очарованного кварка, анализируя столкновения протонов.

Вероятность настолько мала, что очарованные кварки составляют лишь небольшую часть их массы. Следствием этого является то, что общая масса протона, объединяющая три легких кварка, некоторую энергию связи и небольшую вероятность появления очарованного кварка, меньше, чем очарованный кварк – один из его компонентов.

Альтернативный взгляд на это заключается в том, что очарованные кварки и анти-очарованные кварки возникают на очень короткое время, а затем снова исчезают, но масса протона постоянна с течением времени, включая среднее значение за то короткое время, когда очарованный кварк существует, и гораздо более длительного времени, когда его нет.

Все это настолько странно, что даже Хуан Рохо, один из физиков, обнаруживших доказательства, признал, что это «противоречит всему здравому смыслу».

При этом отказ от здравого смысла часто является обязательным требованием при изучении квантовой физики, но очарованный кварк, похоже, хочет, чтобы мы довели это до крайности.