Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»

В своей эпохальной работе о бета-радиоактивности Ферми провел аналогию между слабым взаимодействием и электромагнетизмом. Он сделал примерный подсчет относительных сил, которые участвуют во взаимодействиях, использовав массу электрона в качестве критерия. В 1941 году Джулиан Швингер задумался, каковы были бы последствия, если бы Ферми допустил, что слабое взаимодействие переносит гораздо, гораздо более крупная частица. Швингер подсчитал, что если бы эта частица была в несколько сот раз массивнее протона, то слабое взаимодействие и электромагнитное взаимодействие фактически могли быть одинаковыми. Это была первая подсказка, что слабое и электромагнитное взаимодействия удастся объединить в одно электрослабое.

Янг и Миллс обнаружили, что для того, чтобы учесть все способы взаимодействий нейтронов и протонов в ядре, им нужно три разных вида силовых частиц. В 1957 году Швингер пришел к выводу относительно слабых взаимодействий. Он опубликовал статью, в которой размышлял о том, что слабое взаимодействие переносят три частицы поля. Две из них W+ W— (как они называются сейчас) нужны, чтобы объяснить передачу электрического заряда в слабых взаимодействиях. Третья, нейтральная, частица нужна, чтобы объяснить случаи, когда заряд не передавался. Швингер полагал, что этой третьей частицей был фотон.

Рис. 8

Механизм ядерного бета-распада теперь стало возможно объяснить как распад нейтрона (n) на протон (p), с испусканием виртуальной W—-частицы. W—-частица затем распадается на электрон (e—) и антинейтрино (ν—е)

Согласно модели Швингера, бета-радиоактивность происходит следующим образом. Нейтрон распадается, испуская массивную W—-частицу и превращаясь в фотон. Короткоживущая частица W— в свою очередь распадается на высокоскоростной электрон (бета-частицу) и антинейтрино (см. рис. 8).

Швингер попросил одного из своих студентов в Гарварде поработать над этой проблемой.

Шелдон Глэшоу, сын еврейских иммигрантов из России, родился в США. В 1950 году он закончил научную школу в Бронксе вместе с одноклассником Стивеном Вайнбергом. Вместе с Вайнбергом он поступил в Корнеллский университет и получил степень бакалавра в 1954 году, а затем стал одним из аспирантов Швингера в Гарварде.

Тяжелые W-частицы, которые Швингер гипотетически предположил, должны были переносить электрический заряд. Как вскоре понял Глэшоу, этот простой факт означал, что на самом деле невозможно отделить теорию слабого взаимодействия от теории электромагнетизма. «Мы должны предположить, – писал он в приложении к докторской диссертации, – что удовлетворительная теория этих взаимодействий может быть создана, только если рассматривать их вместе»[46].

Глэшоу обратился к той же квантовой теории поля SU(2), разработанной Янгом и Миллсом, приняв на веру утверждение Швингера, что три частицы слабого взаимодействия – это две тяжелые W-частицы и фотон. Какое-то время он считал, что ему удалось разработать объединенную теорию слабого и электромагнитного взаимодействия. Больше того, он думал, что его теорию можно перенормировать.

Однако на самом деле он допустил ряд ошибок. Когда они обнаружились, он понял, что теория слишком много требует от фотона. Он решил увеличить симметрию, перемножив калибровочное поле Янга – Миллса SU(2) с калибровочным полем электромагнетизма U(1), что записывается в виде SU(2) × U(1). Он получил не полностью объединенное электрослабое взаимодействие, а скорее их «смесь», но у нее то преимущество, что она освободила фотон от необходимости отвечать за слабое взаимодействие.

Теории все еще требовался нейтральный переносчик слабого взаимодействия. У Глэшоу было уже три массивных частицы слабого взаимодействия, эквивалентных триплету B-частиц, впервые введенных Янгом и Миллсом. Это были W+, W— и Z0[47].

В марте 1960 года Глэшоу читал лекции в Париже. Там он столкнулся с Гелл-Манном, который взял академический отпуск в Калифорнийском технологическом институте (Калтехе) и преподавал в Коллеж де Франс приглашенным профессором. Как-то за обедом Глэшоу описал ему свою теорию SU(2) × U(1). Гелл-Манн предложил ему поддержку. «То, что вы делаете, – это хорошо, – сказал ему Гелл-Манн, – но в этом никто ничего не поймет»[48].

Понял кто-нибудь что-нибудь или нет, но физическое сообщество в основном не впечатлилось теорией Глэшоу. Как открыли Янг и Миллс, теория поля SU(2) × U(1) предсказывала, что переносчики слабого взаимодействия должны быть безмассовыми, как фотон. Если массы вставлялись в уравнения «вручную», это всегда приводило к тому, что теория оставалась неренормируемой. Глэшоу, как раньше Янг и Миллс, не смог решить, каким образом частицы поля приобретают массу.

Но на этом затруднения не закончились. Взаимодействия элементарных частиц включают распад одной или более частиц или их реакцию друг с другом, в результате чего возникают новые частицы. Когда в этих взаимодействиях участвуют заряженные частицы-посредники, их реакции называются заряженными токами, так как заряд в них «течет» от начальной к конечной частице. Физики ждали, что нейтральный переносчик взаимодействия Z0 проявит себя экспериментально в виде взаимодействий, не влекущих изменения заряда, которые называются нейтральными токами. Никаких свидетельств каких-либо подобных токов не нашлось в распаде странных частиц, который к тому времени стал главным способом получения данных о слабых взаимодействиях для ученых, занимающихся физикой частиц.

Глэшоу махал руками. Он утверждал, что Z0 просто настолько массивнее заряженных W-частиц, что взаимодействия с участием Z0 недоступны для наблюдения в экспериментах. Экспериментаторы его не поддержали.

Марри Гелл-Манн родился в Нью-Йорке в 1929 году. Будучи вундеркиндом, поступил в Йельский университет в возрасте всего 15 лет и учился на бакалавра. Докторскую степень он получил в Массачусетском институте технологий (МИТ) в 1951 году, когда ему было всего двадцать один. Он недолго проработал в Институте перспективных исследований в Принстоне, а затем перебрался сначала в Иллинойсский университет в Урбане-Шампейне, затем в Колумбийский университет в Нью-Йорке и потом в Чикагский университет, где работал с Ферми и размышлял над свойствами странных частиц.

В 1955 году он стал профессором в Калтехе, где вместе с Фейнманом работал над теорией слабого ядерного взаимодействия. Также он обратил внимание на проблему классификации множества элементарных частиц, открытых к тому времени. Среди них прослеживались небольшие группы – то есть некоторые частицы, например, явно принадлежали к одним и тем же видам, – но отдельные группы не складывались вместе и не давали связной картины.

В физике частиц на тот момент уже была введена таксономия, которая хоть как-то упорядочивала этот «зоопарк». Частицы разделялись на два главных класса: адроны (от греческого hadros, что значит «толстый» или «тяжелый») и лептоны (от греческого leptos, что значит «маленький»).

Класс адронов включает подкласс барионов (от греческого barys, что также означает «тяжелый»). Это более тяжелые частицы, которые испытывают сильное ядерное взаимодействие, к ним относится протон (p), нейтрон (n), лямбда (Λ0) и еще два ряда частиц, открытых в 1950-х и названных сигма– (Σ+, Σ0и Σ—) и кси-частицами (Ξ0, Ξ—). Класс адронов также включает подкласс мезонов (от греческого mesos, что значит «средний»). Эти частицы испытывают сильное взаимодействие, но имеют промежуточную массу, например пионы (π+, π0, π—) и каоны (K+, K0 и K—).

Класс лептонов включает электрон (e—), мюон (m—) и нейтрино (ν). Это легкие частицы, на которые не действует сильное ядерное взаимодействие. Барионы и лептоны являются фермионами, они названы в честь Энрико Ферми. У них полуцелые спины. Все перечисленные барионы и лептоны имеют спин 1/₂ и потому могут иметь две спиновые ориентации, которые записываются в виде +1/₂ (спин вверх) и —1/₂ (спин вниз). Фермионы подчиняются принципу Паули.

Вне класса адронов и лептонов находится фотон, переносчик электромагнитного взаимодействия. Фотон является бозоном, это название образовано от фамилии индийского физика Шатьендраната Бозе. У бозонов целый спин, они не подчиняются принципу Паули. Другие переносчики взаимодействий, например гипотетические частицы W+, W— и Z0, как ожидалось, бозоны с целыми спинами. Бозоны с нулевыми спинами также возможны, но это не силовые частицы. Мезоны – пример бозонов с нулевым спином. Классификация частиц, известных около 1960 года, вкратце изображена на рис. 9.

Рис. 9

Классификация частиц, известных физикам около 1960 г. Это адроны (барионы и мезоны) и лептоны. Вне классификации фотон, переносчик электромагнитного взаимодействия

Ясно, что во всей этой неразберихе должна быть какая-то система вроде периодической таблицы Менделеева, но для частиц. Вопрос заключался в том, что это за система и что лежит в ее основе.

Сначала Гелл-Манн пытался составить систему из фундаментального триплета частиц, в который входит протон, нейтрон и лямбда-частица, используя их в качестве материала для строительства всех остальных адронов. Но вышла страшная путаница. Ему так и не удалось разобраться, почему эти частицы должны считаться более «фундаментальными», чем другие. Гелл-Манн понял, что стал искать причину, объясняющую схему, прежде чем нашел саму схему. Это было все равно что пытаться установить составные части химических элементов, не разобравшись сначала, какое положение каждый элемент занимает в периодической таблице.

Гелл-Манн считал, что основой для системы могла бы стать глобальная группа симметрии, такой способ организации частиц, при которой раскрылась бы схема их взаимоотношений. На том этапе он лишь искал способ по-новому классифицировать частицы, а не пытался развить теорию Янга – Миллса, для которой требовалась локальная симметрия.

Гелл-Манн знал, что ему нужна более крупная непрерывная группа симметрии, чем U(1) и SU(2), чтобы уместить в ней диапазон и разнообразие известных на тот момент частиц, но он был не уверен, с чего начать. В то время он преподавал в парижском Коллеж де Франс в качестве приглашенного профессора. Наверное, неудивительно, что приличный объем хорошего французского вина, выпитого за обедом с его парижскими коллегами, не помог ему сразу же увидеть путь к решению.

Поэтому приезд Глэшоу в Париж в марте 1960 года подвиг его не просто выразить одобрение. Гелл-Манна заинтриговала его теория SU(2) × U(1). Он начал понимать, каким образом можно расширить группу симметрии на более высокие размерности. Вдохновленный, он стал пробовать теории все с большими и большими размерностями. Он пробовал три, четыре, пять, шесть и семь измерений, пытаясь найти структуру, которая не соответствовала произведению SU(2) и U(1).

«И тогда я сказал: «Все, хватит!» У меня уже не осталось сил после всего выпитого вина пробовать еще и восемь измерений»[49].

Видимо, вино не способствовало и разговору. Коллеги, с которыми Гелл-Манн выпивал за обедом, были математиками и могли решить его проблему в два счета. Но он ее с ними так и не обсудил.

Глэшоу решил принять предложение Гелл-Манна и поработать с ним в Калтехе. Вскоре после его возвращения из Парижа два физика вместе стали искать решение. Но только после случайного разговора с математиком Калтеха Ричардом Блоком Гелл-Манн обнаружил, что группа Ли SU(3) как раз и предлагает ту схему, которую он искал. В Париже он бросил поиск в тот самый момент, когда чуть было не нашел ее сам.

Самое простое или так называемое неприводимое представление SU(3) – это фундаментальный триплет. Другие теоретики фактически пытались сконструировать модель на основе группы симметрии SU(3) и использовали протон, нейтрон и лямбда-частицу в фундаментальном представлении. Гелл-Манн уже пробовал это и не хотел возвращаться к пройденному. Он просто пропустил фундаментальное представление и обратил внимание на другое.

Одно из представлений SU(3) включает в себя восемь измерений. «Поворот» частицы в одном измерении преобразует ее в частицу в другом измерении, так же как «поворот» изоспина нейтрона в группе симметрии SU(2) превращает его в протон. Если бы Гелл-Манну каким-то образом удалось поместить частицу во всех измерениях, тогда, может быть, он смог бы подойти к пониманию их фундаментальных отношений. Это же не могло быть простым совпадением, что существует восемь барионов: протон, нейтрон, лямбда, три сигма– и две кси-частицы?

Эти частицы различались величинами электрического заряда, изоспина и странности. Если нанести странность на график в сравнении с зарядом или изоспином, появится шестиугольная схема с частицей в каждой вершине и двумя частицами в центре (см. рис. 10). Схема требовала включения протона, нейтрона и лямбды, и Гелл-Манн, вероятно, считал оправданным свое решение не относить их к фундаментальному представлению.

Рис. 10

Восьмеричный путь. Гелл-Манн обнаружил, что может вставить барионы, а именно нейтрон (n) и протон (p), и мезоны в два октетных представления группы глобальной симметрии SU(3). Но в представлении с мезонами было только семь частиц. Не хватало одной частицы, мезонного эквивалента Λ0. Эту частицу обнаружил через несколько месяцев Луис Альварес и его команда из Университета Беркли. Ее назвали «эта», η

Когда Гелл-Манн аналогичным образом рассмотрел мезоны, он обнаружил, что должен включить в схему анти-K0, но ему все равно не хватало одной частицы. Не хватало мезонного эквивалента лямбды. Ободренный, он подумал, что должен существовать восьмой мезон с нулевым зарядом и нулевой странностью.

Гелл-Манн обнаружил порядок в двух октетах частиц, основанных на восьмиразмерном представлении глобальной группы симметрии SU(3). Он назвал его восьмеричным путем, в шутку намекая на учение Будды о восьми ступенях к нирване[50]. Он закончил работать над восьмеричным путем в Рождество 1960 года и опубликовал препринт в Калтехе в начале 1961 года. Частицу, которую он предсказал и которая должна была дополнить мезонный октет, обнаружил несколько месяцев спустя американский физик Луис Альварес со своей командой из калифорнийского университета Беркли. Они назвали новую частицу «эта», η.

Гелл-Манн работал в одиночку, но он был не единственным теоретиком, который искал порядок. Юваль Неэман последним вошел в пантеон теоретической физики. Если Гелл-Манн поступил в Йель в нежном возрасте 15 лет, то Неэман, родившийся в Тель-Авиве, поступил в Хагану, подпольную еврейскую организацию в Палестине во время британского мандата. Он командовал пехотным батальоном во время арабо-израильской войны 1948 года и возглавлял отдел планирования Армии обороны Израиля.

Он уже дослужился до полковника, когда решил попробовать получить докторскую степень по физике. Моше Даян, тогда глава Генштаба, согласился назначить его военным атташе в посольство Израиля в Лондоне. Даян посчитал, что Неэман может учиться в аспирантуре в свободное время.

Сначала Неэман собирался изучать теорию относительности в Кингс-колледже в Лондоне, но он быстро понял, что из-за пробок на дорогах не успевает вовремя добраться туда из посольства в Кенсингтоне к началу лекций и семинаров. Тогда он перешел в Имперский колледж и переключился на физику частиц. В Имперском колледже его направили к пакистанскому теоретику Абдусу Саламу.

Неэман работал по вечерам и выходным. Он начал искать группы симметрии, которые могли бы вместить в себя известные частицы, и нашел пять кандидатов, в том числе SU(3). Неэмана увлекли большие перспективы, которые предоставляла группа симметрии, изображаемая в виде звезды Давида, и в конце концов он остановился на SU(3). В июле 1961 года он опубликовал собственную версию восьмеричного пути.

Сначала Салам был настроен скептически, но, когда на его столе оказался черновик статьи Гелл-Манна, он сразу перестал сомневаться. Хотя у Гелл-Манна была небольшая фора, он уговорил Неэмана печататься (на самом деле статья Неэмана первой вышла в физическом журнале). Но он не испытывал разочарования. Напротив, он чувствовал приятное возбуждение, оказавшись в такой хорошей компании.

Неэман и Гелл-Манн посетили конференцию по физике элементарных частиц в июне 1962 года, которую проводила Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в Женеве. Они оба внимательно выслушали доклады о новых, недавно открытых частицах, триплете частиц, которые позднее стали называться Σ* (сигма), со странностью –1, и дублете частиц Ξ* (кси) со странностью –2.

Неэман сразу же увидел, что эти частицы относятся к другому представлению SU(3), состоящему из десяти измерений. Ему понадобился один миг, чтобы понять, что из десяти частиц представления девять уже найдены. Чтобы завершить схему, нужна была отрицательно заряженная частица со странностью –3.

Он поднял руку, прося слова, но Гелл-Манн сделал то же умозаключение и сидел ближе к переднему ряду. Поэтому именно Гелл-Манн встал и предсказал существование частицы, которую позднее назвали омегой. Она была открыта в январе 1964 года.

Схема в конце концов сложилась, но как насчет лежащего в ее основе объяснения?

4

Верные идеи для неверных задач

Глава, в которой Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг изобретают кварки, а Стивен Вайнберг и Абдус Салам используют механизм Хиггса для сообщения массы W– и Z-частицам (наконец-то!)

Ёитиро Намбу, американский физик японского происхождения, был глубоко обеспокоен.

Намбу изучал физику в Токийском имперском университете и закончил его в 1942 году. Физика элементарных частиц привлекла его благодаря славе Ёсио Нисины, Синъитиро Томонаги и Хидэки Юкавы, основателей японской физики частиц. Но в Токио не было крупного физика, работавшего в этой области, поэтому он стал заниматься физикой твердого тела.

В 1949 году Намбу переехал из Токио в Осаку, чтобы занять место профессора в тамошнем университете. Три года спустя его пригласили в Институт перспективных исследований в Принстоне. Он перебрался в Чикагский университет в 1954-м и четыре года спустя стал там профессором.

В 1956 году он посетил семинар, который проводил Джон Шриффер по новой теории сверхпроводимости, разработанной им вместе с Джоном Бардином и Леоном Купером. Это было элегантное применение квантовой теории для объяснения, почему некоторые кристаллические материалы при охлаждении ниже критической температуры теряют электрическое сопротивление и становятся сверхпроводниками.

Одноименные заряды отталкиваются. Однако электроны в сверхпроводниках испытывают слабое взаимное притяжение. Дело в том, что свободный электрон, проходящий близко от положительно заряженного иона в кристаллической решетке, слегка притягивает ион, который отклоняется от своего положения, искажая решетку. Электрон движется дальше, но искаженная решетка продолжает вибрировать взад-вперед. Эта вибрация производит небольшой дополнительный положительный заряд, который притягивает второй электрон.

В итоге суть этого взаимодействия в том, что пара электронов (называемая куперовской парой) с противоположным спином и импульсом совместно движется по решетке и вибрация решетки содействует их движению. Если помните, электроны являются фермионами и, как таковые, не могут занимать одно и то же квантовое состояние в соответствии с принципом Паули. Куперовские пары, напротив, ведут себя как бозоны, которые не подчиняются этому ограничению. Количество пар, которые могут занимать квантовое состояние, неограниченно, и при низких температурах они могут «конденсироваться», скапливаясь в одном состоянии и приобретая макроскопические размеры[51]. Куперовские пары в этом состоянии не испытывают сопротивления, двигаясь по решетке, и в результате возникает сверхпроводимость.

Намбу беспокоило, что в этой теории, очевидно, не соблюдалась калибровочная инвариантность электромагнитного поля. Иными словами, в ней, по всей видимости, не сохранялся электрический заряд.

Намбу взялся за эту проблему, и в этом ему помогла подготовка в области физики твердого тела. Он понял, что теория сверхпроводимости Бардина, Купера, Шриффера (БКШ) – это пример спонтанного нарушения симметрии применительно к калибровочному полю электромагнетизма.

Примеры нарушения симметрии встречаются повсюду. Если поставить карандаш на острие, он будет полностью симметричен, но чрезвычайно нестабилен. Карандаш падает в конкретном (хотя на первый взгляд произвольном) направлении, при этом можно сказать, что симметрия спонтанно нарушается. Аналогичным образом, мраморный шарик, положенный в шляпу, катится в конкретном (хотя на первый взгляд произвольном) направлении и останавливается в углублении. На самом деле за падение карандаша и качение шарика в шляпе отвечают мельчайшие флуктуации фоновых условий. Эти мельчайшие флуктуации образуют часть фонового «шума».

Спонтанное нарушение симметрии влияет на самое низкоэнергетическое, так называемое вакуумное состояние системы. Как любой материал, сверхпроводник может находиться в вакуумном состоянии, в котором все частицы сохраняют стационарное положение в решетчатой структуре, и электроны остаются неподвижными. Однако возможность совместного движения куперовских пар при способствующих им вибрациях решетки приводит к вакуумному состоянию с еще более низкой энергией. В данном случае калибровочная симметрия электромагнетизма U(1) нарушается присутствием другого квантового поля, кванты которого – куперовские пары. Законы, описывающие движение электронов в материале, остаются инвариантными при локальной калибровочной симметрии U(1), в отличие от вакуумного состояния.

Намбу понял, что, так как куперовские пары существуют в состоянии более низкой энергии, чтобы разбить их, нужно добавить энергию. Получившиеся таким образом свободные электроны будут обладать дополнительной энергией, равной половине энергии, которая потребовалась для того, чтобы разбить пары. Добавленная энергия будет выглядеть как добавленная масса. Его поразили перспективы этой мысли, и через несколько лет кратко изложил их следующим образом[52]:

«Что бы случилось, если бы некий сверхпроводящий материал наполнял бы всю Вселенную, а мы бы жили в нем? Так как мы не могли бы наблюдать истинный вакуум, [самое низкоэнергетическое] базовое состояние этого материала, по сути, было бы вакуумом. Тогда даже частицы… безмассовые в истинном вакууме, приобрели бы массу в реальном мире».

Нарушьте симметрию, рассуждал Намбу, и вы получите частицы с массой.

В 1961 году Намбу и итальянский физик Джованни Йона-Лазинио опубликовали статью с описанием такого механизма. Чтобы он работал, им нужно было фоновое квантовое поле, создающее «ложный» вакуум. В вышеописанном примере карандаш падает в тот момент, когда он взаимодействует с фоновым «шумом», нарушающим симметрию. Аналогичным образом, чтобы нарушить симметрию в квантовой теории поля, требуется фон для взаимодействия с ним. Иными словами, пустое пространство на самом деле не пустое. Оно содержит энергию в виде всепроникающего квантового поля.

В их модели ложный вакуум предоставлял фон, необходимый для нарушения симметрии в теории сильного взаимодействия с участием гипотетических безмассовых протонов и нейтронов. В результате действительно получались протоны и нейтроны с массой. Нарушение симметрии как бы «включало» массы частиц.

Но это был не простой путь. Британский физик Джеффри Голдстоун тоже изучал нарушение симметрии и пришел к выводу, что одним из его следствий является образование еще одной безмассовой частицы.

Фактически Намбу и Йона-Лазанио в своей модели столкнулись с той же трудностью. Помимо сообщения массы протонам и нейтронам, их модель также предсказывала существование безмассовых частиц, образованных нуклонами и антинуклонами. В своей статье они попытались доказать, что на самом деле они могут приобретать небольшую массу и таким образом их можно считать пионами.

Эти новые безмассовые частицы назвали бозонами Голдстоуна – Намбу. Голдстоун инстинктивно чувствовал, что образование этих частиц окажется общим результатом, применимым ко всем симметриям, и в 1969 году возвел его в статус принципа. Он стал известен как теорема Голдстоуна.

Конечно, против этих бозонов Голдстоуна – Намбу были те же самые возражения, как и против безмассовых частиц квантовых теорий поля. Любые новые безмассовые частицы, предсказанные теорией, должны были быть такими же вездесущими, как фотоны. Но ведь эти новые частицы никогда не наблюдались.

Спонтанное нарушение симметрии обещало решение проблемы безмассовых частиц в теории поля Янга – Миллса. Однако нарушение симметрии должно было сопровождаться появлением других безмассовых частиц, которые никто никогда не видел. Устранение одной проблемы вызвало вторую. Чтобы идти дальше, физики должны были найти какой-то способ обойти или решить теорему Голдстоуна.

Гелл-Манн и Неэман внимательно просмотрели фундаментальное представление глобальной группы симметрии SU(3). Они обнаружили, что протон и нейтрон можно поместить в следующее, восьмимерное представление, которое применяется к барионам. Следствия были вполне ясны. Восемь членов барионного октета – включая протон и нейтрон – должны быть составными частицам, образованными из еще более элементарных частиц, неизвестных экспериментальной науке. Может быть, это предположение и было очевидно, но оно влекло за собой некоторые малоприятные следствия.

В 1963 году Роберт Сербер из Колумбийского университета так и этак вертел комбинации трех (неконкретных) фундаментальных частиц, чтобы образовать из них два октета восьмеричного пути. В этой модели каждый член барионного октета был образован сочетанием трех новых частиц, а каждый член мезонного октета – сочетанием элементарных частиц и античастиц. Когда в марте того же года Гелл-Манн приехал в Колумбийский университет, чтобы прочитать несколько лекций, Сербер спросил его, что он думает об этой идее.

Они разговаривали за обедом в факультетском клубе университета.

«Я показал, что можно взять три кусочка и сделать из них протоны и нейтроны, – объяснил Сербер. – Из кусочков и антикусочков могут получиться мезоны. Потом я сказал: «Может, рассмотрите такую возможность?»[53]

Гелл-Манн лишь отмахнулся. Он спросил у Сербера, каковы электрические заряды этой новой тройки фундаментальных частиц, о чем Сербер не задумывался.

«Это была сумасшедшая идея, – рассказывал ГеллМанн. – Я взял салфетку, сделал расчеты и показал, что для этого частицам требуются дробные электрические заряды – вроде —1/₃ или 2/₃, – чтобы они сложились в протон или нейтрон с зарядом плюс один или нулевым»[54].

Сербер согласился, что такой результат приводит в оторопь. Всего через 12 лет после открытия электрона американские физики Роберт Милликен и Харви Флетчер провели свой знаменитый эксперимент с каплей масла, измерив фундаментальную единицу электрического заряда, переносимого одиночным электроном. Выраженный в стандартных единицах, заряд электрона представляет собой сложное число со многими знаками после запятой[55], однако вскоре стало ясно, что заряженные частицы переносят заряды, которые являются целыми произведениями этой элементарной единицы. Ни разу за 54 года после нахождения величины элементарного электрического заряда не возникало даже слабого намека на то, что могут существовать частицы с меньшим зарядом.

В последовавшей дискуссии Гелл-Манн назвал новые частицы Сербера «кворками», нарочно придуманным словом, чтобы подчеркнуть абсурдность такого предположения. Сербер посчитал, что это производное от quirk[56], поскольку Гелл-Манн до этого сказал, что такие частицы были бы странным капризом природы.

Но, как бы ни пугали следствия, логика, приводящая к ним, была железной. Группа симметрии SU(3) требовала фундаментального представления, а то обстоятельство, что известные частицы можно соединить в два октета, очень намекало на существование триплета фундаментальных частиц. Дробные заряды представляли трудность, но, может быть, как подумалось Гелл-Манну, если «кворки» всегда заключены внутри более крупных адронов, тогда это может объяснить, почему частицы с дробным зарядом никогда не наблюдались в экспериментах.

Пока идеи Гелл-Манна постепенно оформлялись, он наткнулся на отрывок из «Поминок по Финнегану» Джеймса Джойса, который помог ему придумать имя этим невиданным абсурдным частицам:

«Эй, три кварка для мюстера Марка!»Верно, выглядит он не особенно ярко,И повадки его как у сына кухарки…[57]

«Вот оно! – заявил он. – Нейтрон и протон состоят из трех кварков!» Новое слово не вполне рифмовалось с первоначальным «кворком», но звучало довольно похоже. «Вот так я и выбрал это название. Просто в шутку. Как реакция против высокопарного научного языка»[58].

Гелл-Манн опубликовал двухстраничную статью с изложением своих мыслей в феврале 1964 года. Он назвал три кварка буквами u, d и s. Хотя в статье этого не говорилось, но буквы означали up (верхний) с зарядом +2/₃, down (нижний) с зарядом —1/₃ и strange (странный), также с зарядом —1/₃. Барионы образованы различными комбинациями трех кварков, а мезоны – комбинациями кварков и антикварков.

В этой системе протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (uud) с суммарным зарядом +1. Нейтрон состоит из u-кварка и двух d-кварков (udd) с суммарным зарядом 0. По мере уточнения модели обнаружилось, что изоспин связан с присутствием в частице верхнего и нижнего кварков. Нейтрон и протон обладают изоспинами, которые можно рассчитать как половину от количества верхних кварков минус количество нижних кварков[59]. Для нейтрона это дает изоспин 1/₂ × (1–2), то есть —1/₂. «Поворот» изоспина нейтрона, следовательно, эквивалентен превращению нижнего кварка в верхний кварк, что дает протон с изоспином 1/₂ × (2–1), или +1/₂. Таким образом, сохранение изоспина становится сохранением количества кварков. Бета-радиоактивность подразумевает превращение нижнего кварка в нейтроне в верхний кварк, что превращает нейтрон в протон с испусканием частицы W—, как показано на рис. 11.