Легчайшие кварки взвешены с невероятной точностью
Международная команда физиков из Великобритании, Испании, Канады и США рассчитала значения массы наиболее лёгких кварков – так называемых верхнего (u) и нижнего (d). Новое измерение на порядок превышает точность большинства предыдущих благодаря найденному учёными обходному пути.
Кварки традиционно делят на шесть «сортов», или ароматов, – нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный и истинный. Первые доказательства их существования получили более 40 лет назад, однако долгое время не удавалось измерить их массу экспериментально или хотя бы дать ей теоретическую оценку.
При том что определение характеристик кварков чрезвычайно важно для создания фундаментальных физических моделей, существует одно значимое препятствие. Так называемое свойство конфайнмента однозначно не позволяет наблюдать кварки в свободном состоянии.
Физикам остаётся работать с адронами — элементарными частицами, состоящими из двух (мезоны) или трёх (барионы) кварков.
В случае протона, который состоит, как предполагается, из двух верхних кварков и одного нижнего (на рисунке), эти три частицы отвечают примерно за 1% его массы, всё остальное загадочным образом приходится на глюонное облако.Загадочность проистекает оттого, что сами глюоны – частицы безмассовые.
Масса возникает как свойство глюонного облака, взаимодействующего с кварками, и это представление – один из «фронтов» современной физики, где многое ещё остаётся непрояснённым. Тем ценнее нынешние вычисления массы кварков (иллюстрация TAU JLab).
Для расчёта характеристик адронов в последнее время учёные используют метод «квантовой хромодинамики на решётке» (Lattice QCD). В этой трактовке КХД время принимается за дискретную величину.
Само слово «кварк» ведёт своё происхождение из последнего романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» (Finnegans Wake) писавшегося 16 лет (на снимке – дублинский фонтан в виде Анны Ливии Плюрабель, героини романа). Язык этого романа так фантастически сложен, что вышедшая в 1939 году книга до сих пор полностью никем не переведена на русский (фото Wikimedia Commons).
Происходит расчёт таким образом: в пространстве виртуального адрона строится решётка. В её узлах определяют поля, соответствующие кваркам, а в соединяющих соседние узлы звеньях — соответствующие глюонам. Точность моделирования определяется размером звеньев, которые всё уменьшаются по мере роста компьютерной мощности. (Аналогичным методом пару лет назад учёные подтвердили знаменитую формулу E=mc2, о чём было подробно рассказано в статье в Science.)
Массы кварков подбираются так, чтобы свойства получающихся адронов соответствовали экспериментальным данным. И если массы тяжёлых кварков уже посчитали с достаточно высокой точностью, то погрешность значений для лёгких фундаментальных частиц до сих пор составляла целых 30%.
Авторы нынешнего исследования сосредоточились на определении массы самых лёгких кварков — верхнего и нижнего. Они не стали вычислять массы кварков напрямую, а определили соотношение масс очарованного © и странного (s) кварков, проведя моделирование для решёток, где интервалы между узлами составляли от 0,15 до 0,05 фемтометра (10-15 метра).
Полученное значение – 11,85 – использовали в дальнейших расчётах вместе с выясненной в 2008 году массой очарованного кварка и данными о соотношениях масс странного, верхнего и нижнего кварков, полученных другой командой исследователей.
В результате учёные подсчитали, что масса u-кварка должна равняться 2,01 мегаэлектронвольта, а d-кварка — 4,79 МэВ. Эти значения составляют, соответственно, 0,214% и 0,51% от массы протона.
Погрешность же в определении массы лёгких кварков была уменьшена с 30% до 1,5% — в 20 раз.
Массы четырёх легчайших кварков (шкала слева в МэВ/с2), которые приводят физики в опубликованной Physical Review Letters статье. Цветом показан диапазон прежних оценок, который зафиксирован в документах международной коллаборации Particle Data Group (иллюстрация Physical Review Letters).
Более точные расчёты делают массу лёгких кварков почти столь же определённой, как массу тяжёлых, и это огромный прорыв и своего рода фундамент для будущих экспериментов. Впрочем, для того чтобы новые результаты были окончательно признаны научным сообществом, их должна ещё экспериментально подтвердить независимая группа специалистов.
Так, например, по мнению не участвовавшего в исследовании профессора Колумбийского университета Нормана Криста (Norman H. Christ), в своих расчётах авторы делают несколько допущений, которые могут существенно исказить результат и нуждаются в тщательной перепроверке.
Сами исследователи надеются построить на основе своих изысканий теорию, которая будет развивать положения Стандартной модели и чётко объяснять, почему кварки имеют ту или иную массу. Новые данные можно будет использовать при расшифровке результатов столкновений частиц на набирающем мощность Большом адронном коллайдере.
«Новая физика» и топ-кварк — Лев Дудко
