Kas tai yra kvarkai ir kaip Standartinis modelis atsitrenkė į sieną: svarbiausios dalelių fizikos mįslės, ką daro LHC ir kas tai yra japoniškas „žavesio“ fabrikas

Kalbėsime apie gelmines ir žaviąsias daleles. Tai nepaprastos dalelės, jų aplink nėra, tačiau jas galima sukurti greitintuve. Norint paaiškinti, kuo jos įdomios, ir kodėl jas verta tyrinėti, verta prisiminti, kaip sudaryta materija.

Tad, grįžkime į tolimus 1932-uosius, kai atradus neutroną, atsiskleidė aiškus ir paprastas materijos sandaros vaizdas: materiją sudaro atomai, atomus sudaro elektronai ir branduoliai, o branduolius – neutronai ir protonai. Viską, ką matome, galima aprašyti šiais keturiais blokeliais – keturiomis elementariosiomis dalelėmis. Keturiomis, nes be protonų, neutronų ir elektronų dar yra viena neįprasta dalelė – neutrinas. Tačiau gamta surėdė viską kiek sudėtingiau, ir paaiškėjo, kad dar egzistuoja ir antidalelės. Anglų mokslininkas Paulis Diracas savo laiku pasiūlė savo garsiąją, elektronus atomuose aprašančią lygtį. Tačiau ji turėjo trūkumą – joje buvo įmanomi sprendiniai su neigiama energija. Diracas iškėlė mintį, kad šie sprendiniai rodo naujas, nežinomas daleles – antidaleles, kurios nuo įprastų dalelių skirtųsi priešingu krūviu. Kadangi tuo metu nieko panašaus aptikta nebuvo, tokia hipoteze niekas nepatikėjo. Tačiau Diracas pasirodė esąs teisus: 1932 metais buvo atrasta pirmoji antidalelė – antielektronas, ir nuo to laiko įsigalėjo tikėjimas absoliučia materiją ir antimateriją valdančių gamtos dėsnių simetrija, nors antimaterijos aplink praktiškai nėra. Ji trumpam atsiranda iš materijos dalelių sąveikos ir greitai sureaguoja su materija – anihiliuoja.

Šeštajame ir septintajame dešimtmetyje buvo atrasta dešimtys elementariųjų dalelių, ir, savaime suprantama, kilo abejonės jų elementarumu. 1964 metais Murray'us Gell-Mannas ir George'as Zweigas iškėlė prielaidą, kad elementariosios dalelės, o tiksliau hadronai (taip 1962 metais Levas B. Okunis, dirbantis ITEP, pasiūlė vadinti daleles, dalyvaujančias stipriojoje branduolinėje sąveikoje) sudaryti iš kvarkų: arba iš kvarko ir antikvarko, arba iš trijų kvarkų. Ir vėl viskas tapo paprasta: vos dviem kvarkais – u ir d – ir atitinkamais antikvarkais galima aprašyti viską, ką matome.

Aptikta pirmoji „papildoma“ elementarioji dalelė buvo pavadinta „keistąja“, nes buvo neaišku, kam ji reikalinga ir jos atsiradime ir nykime taip pat buvo keistumų. Reikia pasakyti, kad keistosios dalelės buvo aptiktos gerokai anksčiau, nei sukurta kvarkų hipotezė, ir pasakodamas apie materijos sandarą šiuo atveju atradimų chronologijos nesilaikau. Paskui buvo aptikta dar viena dalelė, ir ją mokslininkai pavadino „žaviąja“ – charm (tai griežtai mokslinis terminas). Kita pavadinta „gelmine“ – beаuty, o paskutinioji pavadinta „tikrąja“ – truth. Deja, šis pavadinimas neprigijo ir šeštasis kvarkas pavadintas top – „viršūninis“. Žinoma, eksperimentuose užfiksuoti ne kvarkai, o iš jų sudarytos dalelės (hadronai), kurie, kaip i r kvarkai vadinami keistaisiais, žaviaisiais ir gelminiais. Išimtis – viršūninis kvarkas. Jis gyvuoja taip trumpai, kad hadrono nespėja sudaryti ir eksperimentuose matome vienišo kvarko skilimo produktus.

Taigi, paaiškėjo, kad gamta sukūrė tris kvarkų rinkinius, iš kurių tik pirmasis reikalingas viskam, ką regime, sukurti. Iš u ir d kvarkų sudaryti protonai ir neutronai. Elektronai ir neutrinai stipriojoje sąveikoje nedalyvauja ir vadinami leptonais. O štai kam reikalingos kitos dvi kvarkų ir leptonų kartos – visiškai neaišku.

Reikia pažymėti, kad kartose kvarkai susiję labai stipriai: ryšio konstantos didelės. O štai tarp kartų ryšio konstantos mažesnės. Tarp pirmos ir antros kartos jos mažesnės, nei kartos viduje, tarp antros ir trečios – dar mažesnės, o pačios mažiausios ryšio konstantos – tarp pirmos ir trečios kartos. Pirmos ir trečios kartos ryšio konstantas išmatavo tarptautinis eksperimentas „ARGUS“. Iš šio darbo atsirado visa tyrimų kryptis – buvo sukurti В fabrikai – greitintuvai, skirti dideliems gelminių dalelių kiekiams. Apie tai pakalbėsime vėliau. Beje, ARGUS – tai A Russian, German, United states and Sweeden collaboration abreviatūra. Šis bendradarbiavimas prasidėjo aštuntojo dešimtmečio gale, šaltojo karo įkarštyje. Bet netgi tuo metu įvairių šalių mokslininkai puikiausiai rado bendrą kalbą. Ir man atrodo, kad toks bendradarbiavimas prisidėjo prie įtampos mažinimo ir judėjimo atviro pasaulio link.

Galimą atsakymą, kam reikia trijų kvarkų ir leptonų kartų, pateikia Japonijos fizikų Makoto Kobayashi ir Toshihide Maskawa hipotezė, kad skirtingas materijos ir antimaterijos savybes galima aprašyti modeliu, kuriame yra trys kartos. O tas skirtumas būtinas mūsų egzistavimui. Kaip 1967 metais parodė akademikas Sacharovas, jei to skirtumo nebūtų, visa materija ir antimaterija būtų anihiliavusi ankstyvojoje Visatos vystymosi stadijoje, ir nebūtų likę medžiagos iš kurios susidarė žvaigždės, planetos ir mes visi. Todėl šio skirtumo aptikimas ir mechanizmo išsiaiškinimas labai svarbus mūsų egzistavimo paaiškinimui. Paaiškėjo, kad Kobayashi ir Maskawa teisūs, – pagrindinis materijos ir antimaterijos skirtumo mechanizmas susijęs būtent su trimis kvarkų ir leptonų kartomis. Tai paaiškėjo, atliekant eksperimentus B-fabrikuose.

Deja, vėliau paaiškėjo, kad minėto materijos ir antimaterijos ssavybių skirtumo paaiškinimo mechanizmo nepakanka Visatos materijos pertekliui paaiškinti, todėl aktyviai ieškome, kitų materijos ir antimaterijos simetrijos pažeidimo mechanizmų. Dabar yra darni teorija, paaiškinanti praktiškai visus elementariųjų dalelių fizikos reiškinius – vadinamasis Standartinis modelis, nors modeliu jį vadinti labai neteisinga. Tai, ko gero tobuliausia žmonių sukurta teorija. Tačiau ir šioje teorijoje daug neaiškumų.

Kam reikalingos trys dalelių kartos, iki galo visgi nėra aišku. Neaiški šių dalelių ryšių konstantų masių hierarchija. Neaišku, ar be šių trijų, yra dar ir kitų kartų. Nežinoma, ar egzistuoja dar kitos, nežinomos dalelės. Neaišku, kodėl LHC atrastas Higgso bozonas toks lengvas. Yra ir kitų svarbių klausimų, į kuriuos Standartinis Modelis atsakymo nepateikia.

Atsakymų į šiuos klausimus galima ieškoti įvairiai. Tiesoginis būdas – bandyti sukurti naujas daleles greitintuvuose. Ir LHC vykdomi eksperimentai, kur ieškoma naujų dalelių ir reiškinių.

Kitas būdas – itin tiksliai matuoti jau žinomų dalelių skilimo savybes ir bandyti rasti naujų dalelių ir reiškinių efektus, virtualiuosius efektus, kurie nepasireiškia naujų dalelių atsiradimu. Netgi labai masyvios dalelės gali atsirasti labai trumpam ir iškart vėl išnykti (remiantis Heisenbergo neapibrėžtumo principu, energijos tvermės dėsnis gali būti trumpam pažeidžiamas). Tačiau net šios egzistavimo akimirkos gali pakakti, kad būtų pakeistos jau žinomų dalelių savybės. Itin perspektyvu tyrinėti gelminių dalelių, kurių sudėtyje trečios akrtos kvarkai, savybes.

Japonijoje modernizuojamas „B fabrikas“, kuriame buvo aptikti materijos ir antimaterijos savybių skirtumai su gelminėmis dalelėmis. Po modernizacijos bus sukuriama beveik 100 kartų daugiau B mezonų. B fabriko eksperimentams kuriami itin sudėtingi detektoriai.

Vienas Didžiojo hadronų greitintuvo eksperimentas irgi skirtas neaiškių, virtualių efektų, skylant gelminėms dalelėms, paieškai – LHC-B. Tikėkimės, kad šie eksperimentai prisidės prie trijų kartų mįslės įminimo ir materijos bei antimaterijos skirtumus lemiančio mechanizmo išsiaiškinimo.

M. Danilov
RMA narys korespondentas, tarptautinės M. Planko ir A.P. Karpinskio premijos laureatas