23 августа 2019, пятница, 05:24
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

03 декабря 2008, 09:23

Смешивание кварков и загадочная масса протонов

Нобелевские лауреаты по физике 2008 г. Фото с сайта Нобелевской премии
Нобелевские лауреаты по физике 2008 г. Фото с сайта Нобелевской премии

19 ноября 2008 г. известный российский физик, доктор физ.-мат. наук, зам. директора Отделения теоретической физики Петербургского института ядерной физики РАН, зав. сектором теоретической физики высоких энергий, лауреат премии им. А.Гумбольдта (Германия) Дмитрий Дьяконов выступил с научным докладом на факультете физики и астрономии Университета в г. Бохуме (Германия) на тему «Лауреаты Нобелевской премии по физике 2008». Мы публикуем статью Дм. Дьяконова, рассказывающую широкому читателю об исследованиях физиков-лауреатов Нобелевки этого года. На фото: Нобелевские лауреаты по физике 2008 г.  (с сайта nobelprize.org). 

В 2008 году ½ нобелевской премии по физике дали Йоичиро Намбу (Yoichiro Nambu, университет Чикаго, США) и  ¼ + ¼   премии – совместно  Макото Кобаяши (Makoto Kobayashi, ускорительный центр, Цукуба, Япония) и Тошихиде Маскаве (Toshihide Maskawa, Институт теоретической физики им. Юкавы, Киото, Япония) – за работы по теоретической физике элементарных частиц.

Прежде, чем объяснить, в чём состоят достижения лауреатов, надо сказать несколько слов о физике элементарных частиц. Эта наука изучает, из чего сделана материя на самом глубоком, микроскопическом уровне. Наиболее фундаментальными составляющими материи являются кварки и лептоны, причём и тех, и других по 6 сортов.

Шесть кварков носят названия u, d, c, s, t, b – по первым буквам английских слов «up, down, charm, strange, top, bottom». Протоны, нейтроны, ядра всех атомов, мы с вами – состоим из самых лёгких u и d кварков; остальные рождаются только на короткое время при столкновении частиц на ускорителях при высоких энергиях. Из шести лептонов, которыми являются электрон, мюон, тау-лептон и три типа соответствующих нейтрино, в обычной материи встречаются только электроны, которые входят во все атомы.

Однако те «лишние» кварки и лептоны, которые даже не встречаются в спокойном состоянии в природе, нужны не «для полноты животного царства», а существенно влияют на реальный мир и уж, во всяком случае, необходимы для того, чтобы понять, как реальный мир устроен.  

Все шесть сортов кварков имеют ещё одну характеристику, названную «цветом», хотя к обычному цвету это не имеет отношения. «Цвета» – три: «красный, зелёный и синий». Совершенно необычным свойством кварков является то, что кварки никогда не встречаются поодиночке, а только внутри связанных состояний, которые обязательно должны быть «бесцветны». Ничего подобного в истории науки ещё не бывало. Это свойство называется конфайнментом или удержанием кварков (ред. от англ. confinement – удержание, ограничение).

Например, протоны состоят в основном из трёх кварков u, u, d, причём один из трёх «красный», другой «зелёный», третий обязательно «синий», а всё вместе «бесцветно». Кварки внутри протона взаимодействуют друг с другом, «переливаясь» цветами, причём взаимодействие оказывается очень сильным. Наука, которая количественно описывает это, называется квантовая хромодинамика – от слова «цвет», конечно.

У лептонов нет «цветов», они бесцветны изначально, поэтому они взаимодействуют друг с другом и с кварками значительно слабее. Их взаимодействие так и называется – слабое. Слабое взаимодействие проявляется в радиоактивности некоторых ядер и в распадах многих элементарных частиц, а также, например, в охлаждении сверхновых звёзд после взрыва. 

Кроме того, на кварки и лептоны действуют и обычные электрические и магнитные силы. В начале 70-х годов выяснилось, что слабые и электромагнитные взаимодействия имеют в сущности одну природу и были объединены общей теорией «электрослабого» взаимодействия. Вместе с квантовой хромодинамикой, описывающей сильные взаимодействия, эта теория была названа «стандартной моделью».

Стандартная модель, созданная усилиями многих физиков в последней трети XX века, – выдающееся достижение человечества. Она наводит порядок в микромире, позволяет количественно описывать сотни, если не тысячи характеристик частиц – как самих по себе, так и при их столкновениях. Стандартная модель настолько совершенна, что трудно найти что-нибудь, чему она противоречит, хотя некоторые неувязки встречаются. Кроме того, пока непонятно, почему Бог создал всё именно так, а не иначе.

Забегая вперёд, скажу, что Йоичиро Намбу получил премию за свои работы по теории сильного взаимодействия, а Макото Кобаяши и Тошихиде Маскава – за их совместную работу по теории слабого взаимодействия. То есть одновременно премированы достижения в совершенно разных областях.  

Начнём с Кобаяши и Маскавы, поскольку их работу объяснить проще. Уже в 60-е годы, когда были известны только три из шести сорта кварков (u, d, s), стало ясно, что слабые взаимодействия испытывают не буквально эти кварки, а их «смеси». В данном случае могут смешиваться d и s кварки, имеющие одинаковый заряд, равный одной трети заряда электрона. В мире частиц действуют законы квантовой механики, поэтому можно ввести понятие «частично d-кварк, частично s-кварк», а точнее - их линейную комбинацию. Оказалось, что именно такого типа смесь d и s кварков и участвует в слабых взаимодействиях. Соответствующие уравнения были написаны итальянцем Николой Кабиббо (Nicola Cabibbo), избранным впоследствии иностранным членом РАН.

В 1973 г. Кобаяши и Маскава обобщили теорию смешивания кварков Кабиббо на случай, когда смешиваются не два, а три кварка d, s и b (экспериментально открытый позднее). Они предложили четыре варианта смешивания, и позже оказалось, что один из этих вариантов реализуется в природе. Самое интересное в этой работе (на которую сейчас имеется 5500 ссылок в мировой физической литературе – третье место по числу ссылок из всех статей, опубликованных по физике элементарных частиц!) было то, что смешивание кварков по Кобаяши и Маскаве допускало нарушение симметрии между прямыми процессами и процессами, идущими вспять во времени. Такая симметрия есть почти для всех элементарных процессов, но в редких случаях она слегка нарушается.

Подход Кобаяши и Маскавы позволил поставить на прочную основу изучение таких редких , но принципиально важных процессов для объяснения Вселенной такой, как она есть. Сейчас стало ясно, что три типа нейтрино тоже «смешиваются» между собой на манер Кобаяши – Маскавы, так что значение их работы простирается, по-видимому, дальше, чем они сами предполагали. 

Физики называют смешивание кварков в слабых взаимодействиях именами Кабиббо–Кобаяши–Маскавы, но Кабиббо не рассматривал упомянутые редкие процессы, так как их возможность появляется только при смешивании трёх кварков, а не двух. Тем не менее при других обстоятельствах можно было бы подумать о том, чтобы дать нобелевскую премию и Кабиббо, который первым сказал о смешивании, – если б не чувствовалась необходимость дать её Намбу за совсем другую работу. По положению, одну Нобелевскую премию могут разделить на не более, чем трёх человек.        

Слабые и электромагнитные взаимодействия являются сравнительно простой и понятной частью физики элементарных частиц, чего нельзя сказать о теории сильных взаимодействий кварков – квантовой хромодинамике. Здесь все привычные представления и интуиция переворачиваются с ног на голову. Обычно если какой-то объект состоит из других более мелких объектов, то его масса меньше, чем масса отдельных составляющих.

Например, масса ядра меньше сумм масс протонов и нейтронов, его составляющих. Разница называется энергией связи: это та энергия, которую надо затратить, чтобы раздраконить объект на составные части. На этой энергии работает Солнце, а, стало быть, всё живое на Земле существует за счёт энергии связи протонов и нейтронов в ядре. Действительно, в недрах Солнца и других звёзд постоянно идёт термоядерная реакция – слипание протонов и нейтронов в ядра, благодаря которой освобождается энергия связи. Она и греет нас – если не непосредственно, так с помощью нефти.

Но когда мы переходим к самим протонам и нейтронам, состоящим из кварков, то там ситуация прямо противоположная: суммарная масса кварков, составляющих протон, примерно в 80 раз меньше массы протона! Откуда же берётся, из чего складывается масса протона, то есть наша с вами масса? (Масса нашего тела на 99.95% задаётся массой протонов и нейтронов внутри нас, а оставшиеся 0.05% – это масса электронов.)

Окончательного, общепризнанного ответа на этот вопрос нет и сейчас, поскольку он связан с другим вопросом, на который тоже пока нет чёткого ответа, – из-за чего происходит конфайнмент кварков, почему они никогда не вылетают из протонов. Однако 47 лет назад, в 1961 г., Намбу вместе с итальянским физиком Джованни Йона-Ласинио (Giovanni Jona-Lasinio) попытались на него ответить с помощью имеющихся тогда подручных средств. Главным подручным средством оказалась аналогия с созданной незадолго до этого теорией сверхпроводимости.

Пользуясь аналогией со сверхпроводимостью, Намбу и Йона-Ласинио предположили, что в мире элементарных частиц происходит нечто похожее, а именно спонтанная конденсация протон-антипротонных, а также нейтрон-антинейтронных пар, в результате чего обе частицы приобретают большую массу! (В сверхпроводниках происходит спонтанная конденсация так называемых куперовских пар электронов – в этом аналогия).

Идея была в то время неожиданной, вполне революционной. Интересно отметить, что в том же 1961 году ту же самую идею и даже то же воплощение опубликовали советские физики Валентин Григорьевич Вакс (род. 1932) и Анатолий Иванович Ларкин (1932–2005) в статье под названием «О применении методов сверхпроводимости к вопросу о массе элементарных частиц». Однако даже в России младшее поколение физиков, я думаю, об этой работе уже не слышало, а за границей о ней и раньше, к сожалению, не знали.

Между тем, на две статьи Намбу и Йона-Ласинио имеется сегодня около 3500 ссылок, и они серьёзно повлияли на развитие теоретической физики элементарных частиц на многие годы вперёд. Парадоксально, но сейчас мы знаем, что почти всё в статьях Намбу–Йона-Ласинио и Вакса и Ларкина 1961 года, если читать их буквально, было неправильно. Сейчас известно, что конденсируются не протоны, а кварки (которые не были ещё известны в 1961 г.), что взаимодействие кварков не такое, как предполагали авторы, и так далее. Однако общая идея была, несомненно, правильной. Она даёт нам возможность понять, откуда берется масса у протонов.

Надо сказать, что Намбу зарекомендовал себя «придумщиком» многих блестящих идей. Это, возможно, выделило его в глазах нобелевского комитета в сравнении с его соавтором Йона-Ласинио. Из многих вещей упомяну, что Намбу является автором математического описания струны, которая, как полагают, натягивается между кварками при попытке их разведения (отсюда – конфайнмент кварков). Теория струн сегодня – бурно развивающаяся область теоретической физики высоких энергий, и этим мы отчасти обязаны Намбу. Премию, впрочем, дали ему не за это, а именно за работы 1961 года.       

Как стало уже привычным, Нобелевская премия представляет собой сложное равновесие между научными, конъюнктурными и чисто человеческими соображениями, но все же присуждение премии  2008 г. этим трем физикам является, на мой взгляд, шагом вполне оправданным. Как Й. Намбу, так и М. Кобаяши и Т. Маскава внесли выдающийся вклад в современное понимание мира фундаментальных частиц и их взаимодействий.

См. также:

  • Дмитрий Дьяконов. Большой адронный коллайдер: Изменится ли наше понимание Вселенной?
  • Опрос о РАН: "Бюрократический монстр, обслуживающий сам себя, или какая научная администрация нужна России?" - статья Дмитрия Дьяконова
  • Дмитрий Дьяконов: большое открытие произошло там, где его совершенно не ждали
  • Обсудите в соцсетях

    Система Orphus

    Главные новости

    19:04 Орешкин предрек прекращение выплат долгов по кредитам россиянами в 2021 году
    18:29 В России набирает популярность новый вид туризма
    18:23 Metallica даст концерт в «Лужниках»
    18:16 В КБР погибли двое альпинистов из Петербурга
    18:01 Опубликован экзит-полы по выборам в верхнюю палату парламента Японии
    17:40 В Японии назвали дату подписания мирного договора с РФ
    17:07 Иранские власти отказались отпускать россиян с британского танкера
    16:35 СМИ сообщили о смерти президента Туркменистана
    16:08 В Петербурге арестован ударивший двух человек ножом пассажир
    15:48 Глава Siemens назвал администрацию Трампа «лицом расизма»
    15:14 Появилась запись разговора иранских и британских военных с танкером
    14:42 Мэр Кунгура пожаловался на активистов из-за маек в защиту местной спецшколы
    14:18 Зеленский предложил лишить депутатов неприкосновенности
    14:04 Летевший в Прагу Boeing вернулся в Москву из-за пожара
    13:55 Зеленский рассказал о будущем премьере
    13:40 Журналисты сообщили об избиении в клубе из-за плаката с митинга 20 июля
    12:34 В Амурской области дожди размыли федеральную трассу
    12:09 Изнасиловавшие россиянку в Барселоне вышли на свободу
    11:45 Иран назвал новую причину задержания британского танкера
    11:35 Появилась информация об экипаже задержанного в Иране британского танкера
    11:07 На Сахалине за драку отправлен в отставку замглавы правительства
    10:49 СК завел дело против бывшего страховщика МВД
    10:29 В Подмосковье мужчина расстрелял своих соседей во время ссоры
    10:12 Кандидаты в МГД предложили Собянину встречу
    09:55 Великобритания собралась ввести санкции против Ирана после задержания танкера
    09:26 Под Брянском при пожаре в доме престарелых погибли люди
    09:10 На Украине стартовали досрочные выборы в парламент
    20.07 18:54 Роспотребнадзор начал проверку после видео с полуголыми сыроварами
    20.07 18:34 В Мосгоризбиркоме прокомментировали выступление Навального на митинге
    20.07 18:19 Британский МИД вызвал иранского представителя после задержания танкеров
    20.07 17:59 На Украине в «день тишины» завели девять уголовных дел
    20.07 17:45 После критики Путина губернатор отчитался о выплатах из-за паводка под Иркутском
    20.07 17:20 МВД Украины привлекло авиацию для поддержания порядка на выборах
    20.07 16:55 SSJ-100 сел во Владивостоке c поврежденным стеклом в кабине пилотов
    20.07 16:25 Российские авиакомпании увеличат количество чартерных рейсов
    20.07 15:55 Навальный призвал митингующих выйти к мэрии Москвы
    20.07 15:39 В «Слуге народа» определились с кандидатурой на пост председателя Рады
    20.07 15:24 Дипломаты не смогли связаться с моряками РФ на задержанном судне в Иране
    20.07 14:57 Федерация бокса России оплатит лечение Дадашева после боя в США
    20.07 14:37 Митинг на проспекте Академика Сахарова в Москве собрал около десяти тысяч человек
    20.07 14:19 На Ямале сошел с рельсов грузовой поезд
    20.07 13:55 Правительство согласилось пойти на встречу родственникам заключенных
    20.07 13:45 Чрезвычайный комитет Великобритании предостерег от захода в Ормузский пролив
    20.07 13:20 Полиция зафиксировала более 600 нарушений перед выборами в Раду
    20.07 12:57 Суд отправил под арест первого замначальника УФСИН по Самарской области
    20.07 12:43 Грузинский канал вернет в эфир оскорбившего Путина ведущего
    20.07 12:21 Власти одобрили создание портала с данными всех россиян
    20.07 11:59 Врач оценил достоверность «состаренных» снимков в FaceApp
    20.07 11:39 Минпромторг предложил перестать считать пиво алкоголем
    20.07 11:11 В SpaceX объявили дату запуска корабля Dragon к МКС
    «АвтоВАЗ» «ВКонтакте» «Газпром» «Зенит» «Мемориал» «Мистраль» «Оборонсервис» «Роснефть» «Спартак» «Яблоко» Абхазия Австралия Австрия Азербайджан Антимайдан Аргентина Арктика Армения Афганистан Аэрофлот Башкирия Белоруссия Бельгия Бразилия ВВП ВКС ВМФ ВПК ВТБ ВЦИОМ Ватикан Великобритания Венесуэла Владивосток Внуково Волгоград ГИБДД ГЛОНАСС Генпрокуратура Германия Голливуд Госдеп Госдума Греция Гринпис Грузия ДТП Дагестан Домодедово Донецк ЕГЭ ЕСПЧ Евровидение Еврокомиссия Евромайдан Евросоюз Египет Екатеринбург ЖКХ Израиль Ингушетия Индия Индонезия Интерпол Ирак Иран Испания Италия Йемен КНДР КПРФ Казань Казахстан Калининград Камчатка Канада Каталония Кемерово Киев Киргизия Китай Коми Конституция Кремль Крым Куба Курилы ЛГБТ ЛДПР Латвия Ливия Литва Лондон Луганск МВД МВФ МГУ МКС МОК МЧС Малайзия Мексика Мемория Минздрав Минкомсвязи Минкульт Минобороны Минобрнауки Минпромторг Минсельхоз Минтранспорта Минтруд Минфин Минэкономразвития Минэнерго Минюст Молдавия Мосгорсуд Москва НАСА Нигерия Нидерланды Новосибирск Норвегия ОБСЕ ООН ОПЕК Одесса ПДД Пакистан Паралимпиада Париж Пентагон Польша Право Приморье Продовольствие РАН РЖД РПЦ РФС Росавиация Роскомнадзор Роскосмос Роспотребнадзор Россельхознадзор Россия Росстат СМИ СССР США Сахалин Сбербанк Севастополь Сербия Сирия Сколково Славянск Сочи Таджикистан Таиланд Татарстан Трансаэро Турция УЕФА Узбекистан Украина ФАС ФБР ФИФА ФСБ ФСИН ФСКН Филиппины Финляндия Франция Харьков ЦИК ЦРУ ЦСКА Центробанк Чехия Чечня Швейцария Швеция Шереметьево Эбола Эстония ЮКОС Якутия Яндекс Япония авиакатастрофа автопром алкоголь амнистия армия археология астрономия аукционы банкротство беженцы бензин беспилотник беспорядки биатлон бизнес бокс болельщики вандализм взрыв взятка вирусы вузы выборы гаджеты генетика гомосексуализм госбюджет госзакупки госизмена деньги дети доллар допинг драка евро журналисты законотворчество землетрясение импорт инвестиции инновации интернет инфляция ипотека искусство ислам исследования история казнь кино кораблекрушение коррупция космос кража кредиты культура лингвистика литература медиа медицина метро мигранты монархия мошенничество музыка наводнение налоги нанотехнологии наркотики наука недвижимость некролог нефть образование обрушение общество ограбление оппозиция опросы оружие офшор палеонтология педофилия пенсия пиратство планетология погранвойска пожар полиция похищение правительство православие преступность происшествия ракета рейтинги реклама религия ретейл рубль санкции связь сепаратизм следствие смартфоны социология спецслужбы спутники страхование стрельба строительство суды суицид тарифы театр телевидение теракт терроризм технологии транспорт туризм убийство фармакология физика фоторепортаж футбол хакеры химия хоккей хулиганство цензура школа шпионаж экология экономика экспорт экстремизм этология «Единая Россия» «Исламское государство» «Нафтогаз Украины» «Правый сектор» «Северный поток» «Справедливая Россия» «болотное дело» Александр Лукашенко Александр Новак Александр Турчинов Алексей Кудрин Алексей Навальный Алексей Улюкаев Амурская область Анатолий Сердюков Ангела Меркель Антон Силуанов Аркадий Дворкович Арсений Яценюк Барак Обама Басманный суд Башар Асад Белый дом Борис Немцов Валентина Матвиенко Верховная Рада Верховный суд Виктор Янукович Виталий Мутко Владимир Жириновский Владимир Зеленский Владимир Маркин Владимир Мединский Владимир Путин Вячеслав Володин Дальний Восток День Победы Дмитрий Медведев Дмитрий Песков Дмитрий Рогозин Дональд Трамп Евгения Васильева Забайкальский край Интервью ученых Ирина Яровая Иркутская область История человечества Кирилл Серебренников Конституционный суд Космодром Байконур Краснодарский край Красноярский край Ксения Собчак Ленинградская область МИД России Мария Захарова Михаил Прохоров Михаил Саакашвили Михаил Ходорковский Московская область Мурманская область Надежда Савченко Николас Мадуро Нобелевская премия Новосибирская область Новый год Олимпийские игры Ольга Голодец Павел Дуров Палестинская автономия Папа Римский Первый канал Пермский край Петр Порошенко Почта России Приморский край Рамзан Кадыров Реджеп Эрдоган Республика Карелия Ростовская область Саратовская область Саудовская Аравия Свердловская область Сергей Лавров Сергей Нарышкин Сергей Полонский Сергей Собянин Сергей Шойгу Следственный комитет Совбез ООН Совет Федерации Ставропольский край Счетная палата Тереза Мэй Франсуа Олланд Хабаровский край Хиллари Клинтон Челябинская область Черное море Эдвард Сноуден Элла Памфилова Эльвира Набиуллина Южная Корея Юлия Тимошенко Юрий Чайка авторское право администрация президента акции протеста атомная энергия баллистические ракеты банковский сектор биология большой теннис визовый режим военная авиация выборы губернаторов газовая промышленность гражданская авиация гуманитарная помощь декларации чиновников дороги России информационные технологии климат Земли компьютерная безопасность космодром Восточный крушение вертолета легкая атлетика лесные пожары междисциплинарные исследования мобильные приложения морской транспорт некоммерческие организации общественный транспорт патриарх Кирилл пенсионная реформа пищевая промышленность права человека правозащитное движение преступления полицейских публичные лекции российское гражданство русские националисты русский язык сельское хозяйство сотовая связь социальные сети стихийные бедствия телефонный терроризм уголовный кодекс фигурное катание финансовый рынок фондовая биржа химическое оружие эволюция экономический кризис ядерное оружие Великая Отечественная война Вторая мировая война Ирак после войны Ким Чен Ын Революция в Киргизии Российская академия наук Стихотворения на случай Федеральная миграционная служба Федеральная таможенная служба борьба с курением выборы мэра Москвы здравоохранение в России связь и телекоммуникации тюрьмы и колонии Совет по правам человека аварии на железной дороге естественные и точные науки закон об «иностранных агентах» видеозаписи публичных лекций «Полит.ру» Новые технологии, инновации Сочи 2014 Кабардино-Балкария Левада-Центр Нью-Йорк Санкт-Петербург отставки-назначения шоу-бизнес Ростов-на-Дону ЧМ-2018 Компьютеры, программное обеспечение Книга. Знание ВИЧ/СПИД Apple Bitcoin Boeing Facebook G20 Google iPhone IT NATO PRO SCIENCE видео ProScience Театр Pussy Riot Telegram Twitter Wikileaks

    Редакция

    Электронная почта: polit@polit.ru
    Телефон: +7 929 588 33 89
    Яндекс.Метрика
    Свидетельство о регистрации средства массовой информации
    Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
    Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
    средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
    При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
    При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
    Все права защищены и охраняются законом.
    © Полит.ру, 1998–2019.