Кварковый конструктор. О протоне, его аддонах и спиноффах

В одной из моих публикаций я затрагивал тему распада протона ^[1]. 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 ^[2], 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 ^[3], 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 ^[4] (не учитывавшая квантовую механику) и модель Бора ^[5] (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 ^[6].         

Ричард Фейнман (1918 - 1988) широко известен как один из основателей квантовой электродинамики, популяризатор науки и балагур, заявлявший, что «никто не понимает квантовую механику ^[7]».  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 ^[8] вероятностную природу и сложнейшую предсказуемость деления мельчайших частиц материи. Диаграммы Фейнмана – не столько физика, сколько математика ^[9], 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 -1/3. Соответственно, суммарный электрический заряд протона равен 2/3 + 2/3 - 1/3 = 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 ^[10]. Взаимодействия кварков и глюонов описывает квантовая хромодинамика ^[11] — 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 1/3 случаев – нижний кварк.

Вероятностная составляющая протона и очарованный кварк

Именно такая квантовомеханическая вероятностная природа ^[12] 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 ^[13] — 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 ^[14] году. Действительно, результаты можно было интерпретировать в пользу этой гипотезы: в протоне мог проявляться очарованный кварк, а вместе с ним — и эквивалентный ему антикварк ^[15]. 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 ^[16] 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 ^[17] 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 ^[18])

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 ^[19]. 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 ^[20]. 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 ^[21] группой Вальтера Олерта. Время жизни такого атома в лабораторных условиях доведено до 17 минут ^[22].         

Снизу показан позитроний. Это миниатюрный экзотический атом, состоящий из электрона и позитрона. Электрон и позитрон обладают спином ^[23] (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 ^[24] Мартином Дойчем.

Ортопозитроний живет гораздо дольше ^[25], 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.