Трудности теории кварков

Драма идей в познании природы

Кварки имеют спин 1/2 (в единицах h). Как и электроны. Как и нуклоны. Для кварков одного и того же типа должен быть справедлив принцип запрета Паули. Два одинаковых кварка не могут находиться в состоянии с одним и тем же направлением спина. Но для резонансов D⁺⁺, D^- кварковая модель предсказывала именно такую ситуацию. Согласно теории кварков они состоят из трех кварков одного типа: D⁺⁺ - из трех u-кварков, D^- - из трех d-кварков. Спин кварков равен 1/2. Спин D⁺⁺ и D^- равен 3/2. Было естественно считать, что все кварки находятся на одном и том же низшем энергетическом уровне, в состоянии с нулевым орбитальным моментом. Но тогда спины трех составляющих кварков должны быть ориентированы в одном и том же направлении. Это противоречит принципу запрета Паули - основе статистики систем тождественных частиц с полуцелым значением спина.

Другая проблема - отсутствие кварков в свободном состоянии. Разве можно сказать, что адроны действительно состоят из кварков? Если дом построен из бревен, мы можем раскатать его на бревна. Дом из кирпича можно разобрать на отдельные кирпичи. Если что-то построено из чего-то, мы можем разделить это что-то на то, из чего оно построено. Можно составить - можно и разобрать. Можно выделить составляющие в чистом виде.

Химическое соединение можно разложить на отдельные химические элементы. Атом можно ионизовать и получить составляющие его ядро и электроны. Можно расщепить ядро на протоны и нейтроны, из которых оно состоит. А расщепить частицы на кварки оказалось невозможным.

Росли энергии частиц, разгоняемых на ускорителях. Частицы все большей энергии дробили протоны и нейтроны. Как в сказке: били-били - не разбили. Во взаимодействиях частиц с адронами адроны не расщеплялись на кварки. Адроны превращались в новые адроны. Эти превращения можно было описать на языке теории кварков. Можно было указать, сколько новых пар кварк-антикварк родилось. Какие переходы между кварками произошли. Но в чистом виде кварки не рождались. Наблюдались только их связанные состояния.

Другое доказательство отсутствия свободных кварков пришло из космологии. Расширяющуюся Вселенную можно назвать "ускорителем для бедных". В ходе своей эволюции Вселенная проходила стадии сверхвысоких плотностей энергии, на которых в естественных условиях разворачивались процессы, предсказываемые теорией для частиц сверхвысоких энергий. Применяя эти представления для кварков и рассматривая расширение Вселенной как способ спасения свободных кварков, можно было убедиться в том, что, если бы кварки могли существовать в свободном состоянии, они существовали бы в очень ранней Вселенной и, пройдя через все этапы эволюции Вселенной, содержались бы в земном грунте в количестве, сравнимом с обилием золота. Поиск кварков в веществе показал, что свободных кварков в грунте нет и в количестве на 10 порядков меньше, чем предсказывалось космологией. Этот результат служил сильным аргументом против существования кварков в свободном состоянии. Кварки могли быть только связанными в адронах.

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год