Треугольник, предполагающий существование трех новых частиц: верхнего, или u-кварка, нижнего, или d-кварка, и странного, или s-кварка[44]
Ситуация напоминала времена Пифагора. Считалось, что все состоит из целых чисел, как вдруг появилось нечто, что, по-видимому, делило эту фундаментальную единицу на части. Дроби задавались отношениями целых чисел, но до сих пор никто никогда не встречал таких дробных зарядов. Сначала Гелл-Манн отнесся к таким гипотетическим частицам с дробным зарядом скептически, но к вечеру они начали ему нравиться. В последующие недели он стал исследовать возможные следствия этой идеи, называя такие частицы «кворками» – это словечко он использовал и раньше в смысле «непонятные штучки». Сербер считает, что Гелл-Манн обыгрывал в нем тот странный выверт, «quirk», о котором он говорил за обедом.
Читая экспериментальный роман Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», Гелл-Манн набрел на отрывок, определивший правописание слова, которое он стал использовать для обозначения этих гипотетических частиц. Его внимание привлекла первая строчка стихотворения, высмеивающего короля Марка, обманутого мужа, в легенде о Тристане и Изольде: «Three quarks for Muster Mark!»[45]
С учетом того, что таких гипотетических частиц, из которых можно построить другие слои, было три, аналогия казалась точной. Единственная трудность заключалась в том, что Джойс явно считал, что слово «quark» должно рифмоваться с именем «Марк», а не со словом «кворк». Тем не менее утвердились именно те правописание и произношение, которые понравились Гелл-Манну[46].
В конце концов такие кварки составили последний, по нашим представлениям, уровень устройства материи. Но идея эта прижилась не сразу. Когда Гелл-Манн говорил о кварках по телефону со своим бывшим научным руководителем, тот перебил его: «Мюррей, хватит шутить. Мы же разговариваем по международной связи».
С точки зрения Гелл-Манна, система казалась слишком красивой, чтобы не содержать в себе хотя бы какой-то истины. Идея заключалась в том, что под всеми этими слоями частиц лежит еще один уровень из трех фундаментальных частиц – верхнего кварка, нижнего кварка и странного кварка, заряды которых равны, соответственно, 2/3, –1/3 и –1/3. Остальные частицы образованы из сочетаний этих кварков (и их античастиц, как в случае каонов и пионов). Число странных кварков, использованных в конструкции частицы, определяет ее странность. Таким образом, схему восьмеричного пути, состоящую из протона, нейтрона и сигма-, кси– и лямбда-гиперонов, теперь можно перерисовать с учетом таких кварковых ингредиентов.
Кварковые составляющие восьмеричного пути
При каждом шаге вверх по этой схеме число странных кварков уменьшается на единицу. Если двигаться в направлении увеличения заряда, то на каждом шаге увеличивается число верхних кварков, имеющих заряд 2/3. Существует еще и третье направление, которое определяет увеличение числа нижних кварков. Схожие закономерности существуют и в других слоях частиц.
Идею разборки материи на такие более мелкие частицы обдумывал не только Гелл-Манн. Американский физик Джордж Цвейг тоже полагал, что эти схемы указывают на существование более фундаментального уровня частиц. Он называл их тузами, но при этом он, вероятно, в большей степени, чем Сербер или Гелл-Манн, верил в физическую реальность таких частиц. Руководитель теоретического отдела ЦЕРН посчитал его препринты, в которых он излагал свои мысли, «полной чушью». Даже Гелл-Манн, высказывавший схожие идеи, считал их всего лишь математической моделью, позволяющей внести в схемы некий согласованный порядок. Для него они были мнемоническим приемом, а не реальными объектами. Гелл-Манн не соглашался с Цвейгом, верившим в физическую реальность кварков: «Модель реальных кварков – это для тупиц!»
Все это изменилось в конце 1960-х гг. благодаря результатам, полученным в экспериментах в Стэнфордском центре линейного ускорителя[47], в которых протоны бомбардировали электронами. В соответствии с анализом заряда протона предполагалось, что его размеры должны составлять порядка 10–15 м. Считалось, что протон должен быть однородно распределен по этой малой области. Однако, когда на сгусток протонов направили электроны, экспериментаторы были поражены полученной картиной рассеяния. Как и в случае удививших Резерфорда результатов бомбардировки атомов золота альфа-частицами, оказалось, что протон, как и атом, в основном состоит из пустого пространства.
Картина рассеяния соответствовала протону, состоящему из трех частиц меньшего размера. Как и в опытах Резерфорда, какой-нибудь электрон время от времени точно попадал в одну из этих трех точек и отражался обратно, в направлении источника электронов. Эксперимент, по-видимому, подтверждал представление о протоне, состоящем из трех кварков. Хотя никто никогда не видел отдельного кварка, картина рассеяния электронов указывала на то, что три более мелкие частицы, из которых образован протон, действительно существуют.
Выяснилось, что тупицы были правы. Верхний, нижний и странный кварки оказались не просто математическими фокусами, но элементами физической реальности. Затем выяснилось, что этих трех кварков недостаточно для всех новых частиц, и в конце концов у нас оказалось шесть кварков и соответствующие им античастицы. В дополнение к трем кваркам, окрещенным Гелл-Манном, появились еще три: очарованный кварк, истинный кварк и прелестный кварк[48].
Открытие этого способа упорядочения зверинца физических частиц при помощи математики симметрии стало одним из самых захватывающих открытий ХХ в. Увидеть, как все эти фундаментальные частицы выстраиваются в готовые схемы, уже существовавшие в математике симметрии, наверное, было совершенно восхитительно. Если бы я выбирал, какое физическое открытие хотел бы совершить, это открытие имело бы хорошие шансы на победу. Мне кажется, это было похоже на ощущения археолога, который находит узор, до сих пор встречавшийся только на другом конце света. Когда обнаруживаешь такие характерные узоры, становится очевидно, что между этими двумя культурами должна существовать какая-то связь.
Странная особенность этой пирамиды из треугольников и шестиугольников, соответствующих различным представлениям группы SU(3), заключается в том, что она продолжается до бесконечности, из чего следует, что, склеивая вместе все больше и больше кварков, можно получать все новые и новые экзотические частицы. Физическая модель, по-видимому, заканчивается на уровне, в котором располагаются частицы, собранные из трех кварков. Однако в 2015 г. появились волнующие сообщения об обнаружении на LHC свидетельств существования частицы, состоящей из пяти кварков. Исследователи из ЦЕРН чуть не упустили эту частицу, которую назвали пентакварком, приняв ее за фоновый шум. Но, когда они попытались удалить этот шум, они обнаружили мощный сигнал, указывающий на следующий уровень пирамиды симметрий. Как сказал один из ученых, работающих в ЦЕРН: «Мы не искали пентакварк. Это он нас нашел».
До каких пределов мы можем углубляться в математику в поисках предсказаний того, что еще можно увидеть на LHC? Например, существует ли еще более крупный симметричный объект под названием SU(6), который может объединить все шесть кварков – верхний, нижний, странный, очарованный, истинный и прелестный – в множество потрясающих частиц. Тогда вместо двумерной схемы, в которой мы распределяли частицы по семействам, понадобилась бы схема пятимерная. Хотя создание некоторых из таких более экзотических комбинаций кварков и представляется возможным, различия между массами кварков становятся все больше, что приводит к нарушению прекрасной математической симметрии и делает реальное существование таких частиц все менее вероятным. Например, t-кварк настолько нестабилен, что распадается, даже не успев соединиться с каким-нибудь другим кварком. Физики не могут ответить на вопрос о причинах таких различий между массами кварков – то есть пока не могут. Математика, по-видимому, предлагает гораздо большее разнообразие частиц, чем может выдержать физическая реальность. Реальность кажется лишь бледной тенью математических возможностей. Однако понимание даже этой реальности по-прежнему остается непростым делом.
Я должен признать, что, даже имея в своем распоряжении математический аппарат, на разработку которого я потратил многие годы, я не уверен, что действительно понимаю, что такое кварки. Я провожу целые месяцы за изучением книг по физике элементарных частиц, таких как «Квантовая механика и частицы природы»[49] Энтони Садбери, и конспектов лекций оксфордских курсов по симметрии и физике элементарных частиц. И вот, сидя тут в окружении всех этих историй о внутреннем устройстве моей игральной кости, я понемногу начинаю впадать в отчаяние. Того, чего я все еще не знаю, так много: интегралы по путям, описывающие будущее частиц, внутреннее устройство уравнений Клейна – Гордона, точный смысл диаграмм Фейнмана, которые физики с такой легкостью рисуют на доске… Я с завистью смотрю на своего сына, который только начинает изучать физику. У него будет время погрузиться в этот мир, узнать все это так же близко, как я знаю область своей работы.
