Существовала и еще одна проблема: что связывает протоны и нейтроны внутри ядра? Сразу стало ясно, что это не может быть обмен фотонами, так как силы, стягивающие ядро, слишком велики. (Энергия, необходимая для разрушения ядра, во столько же раз превосходит необходимую для выбивания электрона из атома, во сколько атомная бомба разрушительнее динамита: при взрыве динамита перераспределяются электроны, тогда как при взрыве атомной бомбы перераспределяются протоны и нейтроны.)
Для того чтобы узнать, какая сила удерживает ядро, было поставлено много экспериментов, в которых протоны со все более возрастающими энергиями сталкивались с ядрами. Ожидалось, что вылетать будут только протоны и нейтроны. Но когда энергии стали достаточно большими, начали вылетать новые частицы. Сначала появились пионы, потом лямбда, сигма, ро-частицы, и не хватило алфавита. Тогда появились частицы с числами (их массами): например, сигма-1190 и сигма-1386. Скоро стало ясно, что число частиц в мире не ограничено и зависит от энергии, потраченной на разрушение ядра. В настоящее время открыто более четырехсот таких частиц. Мы не можем смириться с тем, что существуют четыре сотни элементарных частиц – это слишком сложно!
[27]
Великие изобретатели вроде Мёрри Гелл-Манна чуть с ума не посходили, пытаясь вывести правила, которым подчиняются эти частицы, и в начале 70-х годов они создали теорию сильных взаимодействий (или «квантовую хромодинамику»), в которой основными действующими лицами являются частицы, получившие название «кварков». Все частицы, состоящие из кварков, разделяются на два класса: одни – типа протона и нейтрона – состоят из трех кварков (они получили ужасное название «барионы»), другие – например пион – состоят из кварка и антикварка (они называются «мезонами»).
Рис. 79. Наша таблица частиц мира начинается с частиц «со спином 1/2». Это электрон (с массой 0,511 МэВ), и кварки двух «ароматов» u и d (с массой у каждого порядка 10 МэВ). Электрон и кварки имеют «заряд» (т. е. взаимодействуют с фотонами), равный (в единицах константы взаимодействия j) – 1/3, и +2/3.
Позвольте показать вам принятую сейчас таблицу фундаментальных частиц (см. рис. 79). Я начну с частиц, распространяющихся от точки к точке в соответствии с формулой Е(А – В), которая видоизменена, как и в случае электрона, чтобы учесть поляризацию. Они называются частицами «со спином ½». Первая из этих частиц – электрон, и его массовое число 0,511 (в единицах, которые мы все время используем – МэВ)
[28].
Под электроном я оставлю свободное место (оно будет занято позднее), а еще ниже впишу кварки двух типов – d и и. Масса этих кварков точно не известна; предполагается, что у каждого она порядка 10 МэВ. (Нейтрон немного тяжелее протона, что вроде бы подразумевает – и вы это скоро увидите – что d-кварк несколько тяжелее, чем и-кварк.)
Рис. 80. Все частицы, состоящие из кварков, принадлежат к од-ному из двух классов. Одни состоят из кварка и антикварка, а другие из трех кварков. Самые известные из этих последних – протон и нейтрон. Заряды u-кварка и d-кварка комбинируются в +1 для протона и в 0 для нейтрона. Тот факт, что протон и нейтрон состоят из движущихся внутри них заряженных частиц, дает ключ к пониманию того, почему у протона магнитный момент превышает 1, а у, казалось бы, нейтрального нейтрона не равен нулю.
Вслед за каждой частицей я выписываю ее заряд или константу взаимодействия в единицах – j. Это число, взятое с обратным знаком, характеризует взаимодействие с фотоном. Таким образом, получается, что заряд электрона равен –1, что соответствует традиционному значению, введенному еще Бенджамином Франклином. Для d-кварка амплитуда взаимодействия с фотоном равна – ⅓, для и-кварка – +⅔. (Если бы Бенджамин Франклин знал о кварках, он мог бы по крайней мере сделать заряд электрона равным –3!)
Заряд протона равен +1, нейтрона – нулю. После некоторого подбора чисел вы можете видеть, что протон, состоящий из трех кварков, должен содержать два и-кварка и один d-кварк. А нейтрон, также состоящий из трех кварков, должен содержать два d-кварка и один и-кварк (см. рис. 80).
Что удерживает вместе кварки? Может быть, летающие взад и вперед фотоны? (d-кварк имеет заряд – ⅓, а u-кварк – +⅔, поэтому они, как и электроны, испускают и поглощают фотоны.) Нет, электрические силы слишком слабы для этого. Тогда придумали нечто другое, что летает взад и вперед и удерживает кварки вместе; это нечто назвали «глюоны»
[29]. Глюоны, как и фотоны, еще пример частиц «со спином 1». Амплитуда попадания глюона из точки в точку определяется точно такой же формулой, что и для фотонов, Р(А – В). Амплитуда излучения или поглощения глюонов кварками равна таинственному числу g, которое значительно превосходит j (см. рис. 81).
Диаграммы, изображающие обмен кварков глюонами, очень похожи на картинки, на которых мы изображали обмен электронов фотонами (см. рис. 82). Настолько похожи, что вы можете сказать, что у физиков нет воображения – теория сильных взаимодействий просто копирует квантовую электродинамику! И вы правы: так и есть – но с некоторыми особенностями.
Рис. 81. «Глюоны» удерживают вместе кварки, составляющие протоны и нейтроны, и косвенно ответственны за притяжение протонов и нейтронов друг к другу в атомном ядре. Глюоны удерживают кварки силами, значительно превышающими электрические. Константа взаимодействия с глюонами g значительно превосходит j. Поэтому вычислять диаграммы глюонными взаимодействиями гораздо труднее, и наилучшая точность, на которую пока можно надеяться, не превышает 10 %.
