Физики из Калифорнийского университета в Дэвисе построили теоретическую модель, которая по-новому объяснила, почему один из кварков отличается чрезвычайно высокой массой. Эта работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Пока экспериментально открыто шесть кварков, которые попарно объединены в три группы, или, как говорят физики, поколения. Стабильные кварки первого поколения самые легкие, их массы лишь в несколько раз превышают массу электрона. Из этих частиц, u-кварка и d-кварка, сложены протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра.
Кварки следующих поколений значительно тяжелее и потому быстро распадаются. Меньше всех живет самый тяжелый член третьего поколения t-кварк. Масса этой частицы в 185 раз превосходит массу протона и примерно совпадает с массой ядер таких элементов, как тантал и вольфрам.
Другой представитель этого поколения b-кварк, который лишь немного тяжелее ядра гелия, уступает t-кварку по массе примерно в 40 раз. Это что-то уж очень много. Массы кварков первого поколения почти одинаковы, в то время как принадлежащий второму поколению с-кварк лишь в 12 раз массивней своего более легкого собрата s-кварка.
Пока что во всем мире существует лишь один ускоритель, американский Тэватрон, мощность которого достаточна для производства t-кварков. Именно там их и открыли в 1995 году при изучении столкновений между протонами и антипротонами. Второй такой машиной станет расположенный под Женевой Большой адронный коллайдер, запуск которого состоится не ранее следующей весны.
Физики уже давно стараются найти причины исключительно высокой массы t-кварка. Для этого предложены различные модели, ни одна из которых пока что не признана вполне убедительной. Теперь Син-ча Чэн и его коллеги выступили с новым решением этой загадки, основанной на еще не доказанной, но очень привлекательной гипотезе суперсимметрии. Она утверждает, что каждая элементарная частица имеет партнера, который совпадает с ней по всем ключевым квантовым характеристикам, за исключением спина.
Как известно, спины частиц измеряются квантовыми числами, которые имеют либо целое значение (скажем, 0, 1 или 2), либо полуцелое (1/2 или 3/2). Суперпартнер частицы с полуцелым спином обязан иметь целый спин, в то время как частице с целым спином соответствует аналог с полуцелым. Экспериментально суперпартнеры известных частиц еще не открыты, однако многие физики считают, что они существуют.
Спины всех без исключения кварков равны 1/2. Самая распространенная версия теории суперсимметрии утверждает, что суперпартнеры кварков имеют нулевой спин. Однако Чэн и его соавторы предположили, что спин суперпартнера t-кварка равен не нулю, а единице.
Если это так, то он может входить в число особого рода частиц с целочисленным ненулевым спином, которые обеспечивают существование всех фундаментальных физических сил. Так, например, сами кварки взаимодействуют друг с другом благодаря обмену частицами с единичным спином – глюонами.
Носителями электромагнитного взаимодействия служат фотоны, спин которых тоже равен единице. Остальные фундаментальные взаимодействия, слабое и гравитационное, также обеспечиваются обменом частицами с единичным либо двойным спином.
Такая возможность как раз и разбирается в статье калифорнийских физиков. Согласно их модели, суперсимметричный партнер t-кварка позволяет ему взаимодействовать с квантами гипотетического поля Хиггса, благодаря которому все элементарные частицы, за исключением фотона, обладают ненулевой массой покоя. Расчеты показывают, что в этом случае масса t-кварка и в самом деле может в десятки раз превосходить массу b-кварка.
Кванты поля Хиггса, так называемые хиггсовские бозоны, пока еще не открыты. Однако физики склонны верить, что эти частицы скорее всего обнаружат себя в экспериментах на Большом адронном коллайдере. Эти эксперименты могут привести и к открытию суперпартнера t-кварка – конечно, если их существование не противоречит законам природы.
