Какво представляват очарователните кварки и защо са толкова странни

Съществуват шест разновидности на кварките, включително един, наречен „странен“. Въпреки това в света на много малкото, където цари квантовата физика, един куп неща са странни, а вероятно самите елементарни частици са дори още по-странни.

Както горните, така и долните кварки са по-тежки от чаровните кварки (в случая с горните – драстично), но миналата година беше установено, че чаровните са компонент на протони, въпреки че са по-тежки от самия протон.

И така, каква е тяхната история?

След като откриват, че предполагаемите атоми са съставени от протони, електрони и (понякога) неутрони, физиците научават, че от тях само електроните могат да бъдат елементарни частици; протоните и неутроните също пък са съставени от нещо. Тези им компоненти обикновено са по три броя, което вдъхновява физика Мъри Гел-Ман да избере името им от репликата „Три кварка за Мъстър Марк“ от книгата „Бдение над Финеган“ на Джеймс Джойс.

Първоначално са били предвидени три вида кварки, известни като „аромати“: възходящ, низходящ и странен. Това название изглежда подходящо заради склонността им да се събират в триади, въпреки че странният кварк е много по-рядък от останалите. Впоследствие се открива, че протоните се състоят от два възходящи кварка и един низходящ, а неутроните имат два низходящи и един възходящ.

Дори когато кварките са твърдо определени като съставни части на по-екзотични частици, тази донякъде проста картина се оказва недостатъчна. От една страна, не е задължително те да са по три; мезоните са частици, съставени само от два кварка, а наскоро се откриха и тетракварки, съставени от четири.

Пак скоро стана ясно и, че е необходим четвърти кварк, за да се обясни поведението на слабото ядрено взаимодействие. Шелдън Глашоу и Джеймс Бьоркен предсказват свойствата на тази частица и я наричат чаровен кварк; Глашоу дори получава Нобелова награда за физика за 1979 г.

Той казва, че името идва от „симетрията, която тя внася в субядрения свят“, балансирайки броя на известните кварки и лептони. Те също така предотвратяват разпада на частици, предсказан от теорията за трите кварка.

Търсенето на доказателства за съществуването на чаровния кварк в крайна сметка се оказва успешно. Експериментите разкриват, че той имат две-трети от заряда на протона и маса, оценена на около 1275 MeV, в сравнение с 2,3 и 4,8 MeV за по-често срещаните възходящ и низходящ кварк. Масата обаче е донякъде спорна: тъй като кварките не съществуват като изолирани частици, а като компоненти на други съставни частици, техните маси не могат да бъдат измерени директно и оценките варират. Въпреки това няма съмнение, че те са много по-тежки от по-обикновените си събратя. По-съществено е, че те са по-масивни дори от цели протони.

Голямата им маса, в сравнение с възходящите, низходящите и дори със странните, означава, че те не се произвеждат толкова лесно. Въпреки това високите количества енергия, които се освобождават, когато частици материя и антиматерия се анихилират взаимно, могат да произведат частици, които съдържат чаровни кварки. Същото може да стане и при разпадането на още по-масивните W и Z бозони, носители на слабата ядрена сила. На свой ред чаровните кварки могат да се разпаднат до долни или странни кварки.

Колкото и масивни да са, те имат по-малко от една-трета от масата на дънния кварк и по-малко от една-стотна от масата на горния кварк, всеки от които е добавен в зоопарка на частиците след тях.

Частиците, които обикновено се състоят от чаровни кварки, като мезон D, имат време на живот, измервано в милиардни части от секундата или по-малко. Затова на учените не им се удава да ги изучават, а само да установяват присъствието им по нещата, на които се разпадат.

В продължение на десетилетия физиците предполагат, че освен два възходящи и един низходящ кварк, протоните могат да съдържат и по-тежки кварки с малка вероятност за съществуване. Миналата година екип откри доказателства за тази идея във връзка с чаровния кварк, като анализира сблъсъци на протони. Вероятността е толкова малка, че чаровните кварки допринасят само за малка част от тяхната маса. В резултат на това общата маса на протона – която съчетава три леки кварка, известно количество енергия и малката вероятност за чаровен кварк, е по-малка от тази на чаровния кварк – един от компонентите му…

Алтернативният начин да се погледне на това е, че чаровните и античаровните кварки се появяват за много кратко време и след това отново изчезват, но масата на протона е постоянна във времето, включително средната стойност на краткото време, когато кваркът е там, и много по-дългото време, когато не е там.

Всичко това е толкова странно, че дори д-р Хуан Рохо, един от физиците, открили тази информация, признава, че това „противоречи на здравия разум“. Но отхвърлянето на здравия разум често е изискване при изучаването на квантовата физика. Чаровният кварк обаче изглежда иска учените да стигнат до крайности.