В 1957 году Гелл-Манн стал полным профессором, самым молодым в тогдашней истории Калтеха. Этому не помешала его склонность слишком настаивать на своем научном приоритете, подчас без достаточных оснований, что в университетских кругах не приветствуется — да и вообще, коллегам подчас было нелегко с ним общаться. В Пасадине он проработал без малого четыре десятилетия, до 1993 года. В 1969 году он стал Нобелевским лауреатом — это в дополнение к другим почетным званиям и наградам.
[Дебют] Алексей Левин
КВАРКИ И ИХ ИЗОБРЕТАТЕЛИ:
ОПЫТ КОМПАКТНОЙ ИСТОРИИ
Физика — дело простое, но тонкое.
Пауль Эренфест
Шестьдесят лет назад, в январе и феврале 1964 года, были опубликованы три текста (одна журнальная статья и два препринта), которые радикально изменили теоретическую базу физики элементарных частиц. Автор статьи был знаменитым ученым, автор препринтов — никому не известным постдоком. Тогда же еще одна статья с близким содержанием была написана и отправлена в журнал, но ее публикация сильно задержалась. Я постараюсь рассказать об этих работах и об их значении для понимания природы микромира.
МАРРИ ГЕЛЛ-МАНН: ПУТЬ В ТЕОРФИЗИКУ
24 мая 2019 года мир лишился одного из последних титанов великой революции в физике, разразившейся в 1960-е-70-е годы. В своем доме в Санта-Фе, административном центре американского штата Нью-Мексико, скончался Марри Гелл-Манн, один из главных создателей современной теории материи, известной как Стандартная Модель элементарных частиц. Человек потрясающей одаренности, эрудит и глубокий мыслитель, он оставил ярчайший след в физике ХХ столетия. Гелл-Манн обогатил не только ее теоретический багаж, но даже словарь, в который ввел несколько новых терминов, включая и ставшее едва ли не мемом слово «кварки». Отдавая дань памяти этого замечательного ученого, я начну с его жизнеописания — точнее, с той его части, которая непосредственно связана с историей этой модели.
Марри Гелл-Манн родился 15 сентября 1929 года в Нью-Йорке. Он был младшим сыном еврейских иммигрантов, которые перебрались в США из восточной части Австро-Венгрии. Точнее, его родившийся в 1886 году отец Исидор Геллманн, который в США стал Артуром и разделил свою фамилию дефисом на две части, приехал сам, пройдя неполный курс в Венском университете, в то время как его мать Паулину, которая была на десять лет младше мужа, еще ребенком привезли родители. По приезде в Америку Артур сменил несколько профессий, но в конце концов стал владельцем небольшой языковой школы для эмигрантов. Его дела подкосила Великая Депрессия, и в 1932 году школа закрылась. Артур через несколько месяцев нашел место банковского охранника, где и проработал двадцать лет. В результате он сохранил для семьи модикум благополучия и смог дать детям хорошее образование.
Маленький Марри уже в раннем возрасте показал замечательные способности. В муниципальной школе первой ступени ему было попросту скучно. В восемь лет он перешел в знаменитую в Нью-Йорке частную школу Columbia Grammar, куда попал благодаря честно заработанной стипендии. Это учебное заведение было основано в 1764 году с целью готовить мальчиков к поступлению в Королевский колледж, будущий Колумбийский университет. Там ему позволили перескочить через два учебных года, так что Марри стал самым юным шестиклассником. Среди учителей и товарищей он слыл ходячей энциклопедией, что и немудрено — он любил и знал историю, археологию, лингвистику, ботанику, зоологию, музыку — и, естественно, математику. В детстве он особенно увлекся орнитологией и сохранил эту страсть в зрелые годы.
Как и положено вундеркинду, Марри Гелл-Манн окончил школу в 14 лет, заработав едва ли не все мыслимые награды и почетные должности — например, его избрали президентом школьного дискуссионного клуба. Но вот чего он не обрел, так это интереса к точным наукам. Их преподавали пожилые учителя, работавшие по довольно примитивным программам. Эта ситуация отчасти повторилась в Йейльском университете, куда Марри поступил в 1944 году благодаря стипендии от семьи газетных магнатов Медилл-Мак-Кормак. Перед началом занятий он на полном серьезе сказал отцу, что хотел бы специализироваться по архитектуре или языкознанию, но Артур счел эти занятия несерьезными. Он видел будущее сына в профессии инженера, но после решительного отказа Марри предложил физику, которая и стала его главным предметом. Однако и физические дисциплины, и математику в Йейле тогда преподавали добросовестно, но вполне традиционно, а подчас даже архаично. Времена, когда там учил великий отец-основатель химической термодинамики и (наравне с Людвигом Больцманом) статистической механики Джозайя Уиллард Гиббс, давно прошли, а наставников сравнимого калибра позже не появилось. Правда, в 1947 году йейльским профессором стал уроженец Николаева Григорий Альфредович Брейт-Шнайдер, который в Америке сделался Грегори Брейтом. К тому времени он получил ряд важных результатов в сотрудничестве с такими звездами, как Юджин Вигнер, Эдвард Кондон и Джон Уилер и приобрел немалый авторитет в области ядерной физики и квантовой электродинамики. Однако на образование Гелл-Манна его приход если и повлиял, то незначительно, особенно если учесть взрывной характер Брейта, который отпугивал студентов. Марри почерпнул всё, что мог, от лекций и семинаров и многому научился в университетской библиотеке, но хорошего ментора в Нью-Хейвене не обрел.
В 18 лет Марри Гелл-Манн был выпущен из Йейля с дипломом бакалавра. Он рассчитывал продолжить образование в одном из университетов Плющевой Лиги, но что-то не сложилось. Принстон ему отказал, в Гарварде согласились дать место в аспирантуре, но не выделили стипендию, с другими элитными высшими школами тоже ничего не вышло. Неизвестно, как сложилась бы его судьба, если бы не письмо от Виктора Вайскопфа, блестящего физика-теоретика австрийского рождения и европейской выучки, одного из главных участников Манхеттенского проекта. Незадолго до того Вайскопф стал полным профессором МТИ и возглавил там группу теоретиков, занимавшихся ядерной физикой. Он предложил Гелл-Манну место ассистента и возможность работать над докторской диссертацией. Тот согласился и осенью 1948 года отправился в Кембридж.
Надо сказать, что юный выпускник Йейля пришел в МТИ в очень удачное время для своей будущий карьеры. До Второй мировой войны этот вуз еще не был тем элитным техническим университетом с сильными научными школами, каким мы его знаем сегодня. Он хорошо готовил будущих инженеров-строителей, специалистов по электрическим технологиям и организаторов бизнеса, но его руководство не стремилось выйти за эти рамки. Однако тогдашний президент МТИ физик Карл Комптон уже давно видел необходимость укрепления научной компоненты технического образования и многое для этого сделал в 1930-е годы. А в конце 1940-го года по инициативе федеральных властей и при полной поддержке Комптона в МТИ был организован сильный научно-технический центр, предназначенный для разработки радарных систем и сопутствующих микроволновых технологий. Это была вошедшая в историю американской науки Лаборатория излучений, Radiation Laboratory, которую возглавили два крупных физика-ядерщика, Ли Дю-Бридж и будущий Нобелевский лауреат Исидор Раби. Лаборатория проработала до конца 1945 года и сильно развернула МТИ в сторону поддержки серьезной физики, причем не только прикладной. Приглашение Вайскопфа стало одним из проявлений этой новой идеологии.
Пребывание Гелл-Манна в МТИ было вполне успешным, но не триумфальным. Вайскопф отлично к нему относился и старался многому научить. Однако его лучшие годы как физика-теоретика были уже позади, и Марри это скорее всего чувствовал. Он посещал в Гарварде знаменитые своей сложностью лекции Джулиана Швингера по только что завершенной ренормируемой версии квантовой электродинамики, дружил и много общался с блестящим теоретиком Марвином Голдбергером, который тогда был в МТИ постдоком, но дефицит подлинного наставничества все же ощущался.
В качестве темы для докторской Вайскопф предложил ему задачу о рассеивании нейтронов на атомных ядрах. Гелл-Манн был вынужден работать над ней практически в одиночку, так как его шеф летом 1950 года на весь следующий учебный год отбыл в годичный академический отпуск в Европу. Несмотря на финансовые осложнения, вызванные задержкой обещанной ему стипендии от Комиссии по атомной энергии, Марри в самом начале 1951 года получил докторскую степень. Его решение диссертационной задачи оказалось небезинтересным, но неполным. Через несколько лет с этой проблемой куда лучше разделался Вигнер.
Если бы карьера Гелл-Манна прогрессировала без сучка, без задоринки, он бы еще до защиты получил хотя бы одно-два предложения должности университетского преподавателя или постдока. Однако этого не случилось, и не исключено, что подвела политика. В былые годы он симпатизировал левым идеям и даже имел не вполне благонадежные знакомства, а охота на ведьм в Америке уже началась. К счастью, Вайскопф до отъезда во Францию убедил Роберта Оппенгеймера дать Гелл-Манну место гостящего сотрудника в принстонском Институте фундаментальных исследований, который тот возглавлял с 1947 года. Туда Марри и отправился — практически сразу после защиты.
В Принстоне Гелл-Манн проработал ровно год. Он делил кабинет с тридцатилетним теоретиком Френсисом Лоу, который после четырех лет работы в Манхеттенском проекте и службы в армии поступил в аспирантуру Колумбийского университета и защитил диссертацию незадолго до Марри. Через полгода совместного проживания они написали свою первую научную работу, которая вскоре появилась в печати (Murray Gell-Mann and Francis Low, Bound States in Quantum Field Theory, Physical Review, 84, 350 (15 October 1951). Соавторы предложили новый вывод уравнения Бете-Салпетера, которое описывает связанную систему двух тел, подчиняющихся релятивистской квантовой теории поля. Оригинальный вывод, который Ганс Бете и еще не успевший отмигрировать в астрофизику Эдвин Салпетер опубликовали в том же журнале несколькими месяцами ранее (и которым еще до выхода номера из типографии поделились с Лоу и Гелл-Манном), был не слишком строгим, и соавторы из Принстона его улучшили. (То же самое уравнение Джулиан Швингер еще раньше обсуждал в своих гарвардских лекциях, которые славились как математической элегантностью, так и почти полной непонятностью для слушателей). Их работа была вполне качественной, но серьезных прорывов не содержала, и позднее Гелл-Манн даже не захотел включить ее в перечень своих лучших публикаций. Возможно, он был слишком строг к себе, так как к настоящему времени эта статья получила свыше 1600 ссылок. Как бы то ни было, она оказалась его единственной работой принстонского периода.
В конце предоставленного Оппенгеймером года Гелл-Манну опять пришлось искать место. С деньгами у него теперь было получше, поскольку Комиссия по атомной энергии все же погасила задолженность. Однако это не отменяло необходимость работы, и здесь ему помог Голдбергер. К тому времени он стал ассистент-профессором физического факультета Чикагского университета, где блистал гениальный Энрико Ферми. Голдбергер так настойчиво и убедительно рекомендовал ему Гелл-Манна, что Ферми согласился дать ему место преподавателя (instructor) в своем всемирно знаменитом Институте ядерных исследований. Зарплата (4300 долларов в год) по тому времени была просто отличной, и к тому же эта позиция давала хороший шанс перерастания в должность ассистент-профессора. Гелл-Манн согласился, и в январе 1952 года перебрался в Чикаго. Это был многообещающий старт научной карьеры, однако 22-летнему теоретику следовало как можно скорее доказать, что он его достоин.
В Чикаго Марри сблизился с физиком-экспериментатором венгерского происхождения Валентином-Луисом Телегди, который получил высшее образование в Лозаннском университете, а потом занимался ядерной физикой в Цюрихском Политехникуме. Он был на семь лет старше Марри, однако докторскую диссертацию защитил только годом ранее. В 1951 году он встретился с посетившим Цюрих Вайскопфом, который устроил ему приглашение от Ферми. В результате Телегди оказался в Чикаго чуть раньше Гелл-Манна и проработал там четверть века. Вместе они опубликовали в 1953 году статью по взаимодействию фотонов с протонами, где исследовали ряд следствий изотопической симметрии (в другой терминологии, зарядовой инвариантности) сильных ядерных взаимодействий. Хотя и эту работу вряд ли можно назвать прорывной, именно с нее начался интерес Гелл-Манна к роли симметрий в физике элементарных частиц (Murray Gell-Mann and Valentine L. Telegdi, Consequences of Charge Independence for Nuclear Reactions Involving Photons, Physical Review, 91. 169-74 (1953). Позднее он вместе с Голдбергером опубликовал (в 1953-55 годах) четыре статьи по теории рассеяния, выполненные на основе математического аппарата S-матриц. Как известно, это направление в физике высоких энергий со временем обнаружило свою тупиковость, но в 1950-е годы оно казалось вполне перспективным.
Летом 1953 года Гелл-Манн выполнил еще одно совместное исследование со своим другом Френсисом Лоу, которое со временем стало заметной вехой в перечне их научных достижений. Они занялись так называемой постоянной тонкой структуры, которую в 1916 году ввел в теоретическую физику Арнольд Зоммерфельд. Эта безразмерная величина определяет силу взаимодействия между электрическими зарядами и фотонами. Поэтому она играет ключевую роль в квантовой электродинамике, будучи ее универсальной константой связи, coupling constant. Гелл-Манн и Лоу показали, что для применения квантовой электродинамики на предельно малых дистанциях надо вводить зависимость этой величины от энергии и расстояния, то есть, превратить ее из постоянной в переменную. Для доказательства они воспользовались математическим аппаратом так называемой ренормализационной группы, который позволяет изучать поведение физических систем на разных пространственных масштабах. Такой подход к решению проблем теоретической физики в то время был очень новым, его основы заложили швейцарские физики барон Эрнст Штюкельберг и его аспирант Андреас Эмиль Петерманн лишь в 1953 году. Гелл-Манн и Лоу первыми использовали этот аппарат в контексте квантовой электродинамики. Они предсказали увеличение постоянной (точнее, теперь уже параметра) тонкой структуры по мере роста энергии взаимодействия. Экспериментально это было подтверждено в ЦЕРНе на Большом электронно-позитронном коллайдере в 1990-е годы. Проведенные тогда измерения показали, что при росте энергии взаимодействия от небольших значений до 100 ГэВ параметр тонкой структуры меняется от классического зоммерфельдовского значения, почти равного 1/137, до приблизительно 1/128 (Particle Data Group, Review of Particle Properties, European Physical Journal C3, 1 (1998).
Гелл-Манн по личным причинам задержал подготовку статьи с этими результатами, которая была опубликована только на следующий год (M. Gell-Mann and F.E. Low, Quantum Electrodynamics at Small Distances, Physical Review, 95, 1300 (1954). Через много лет Стивен Вайнберг назвал ее одной из самых важных публикаций в квантовой теории поля. Точности ради надо отметить, что аналогичные результаты были получены несколькими физиками-теоретиками, включая Вернера Гейзенберга и Виктора Вайскопфа, еще в середине 1930-х годов, но куда менее строго.
В конце 1953 года у Гелл-Манна наконец-то появилась первая статья в одиночном исполнении (M. Gell-Mann, Isotopic Spin and New Unstable Particles, Physical Review, 92, 833 (1953). Она оказалась предшественницей его будущих работ по теории элементарных частиц, которые стали его главным вкладом в физику. Для читателей, которые знают, что такое фигурирующий в заголовке изотопический спин, последнее должно быть очевидным. Но об этом позднее.
В Чикаго Гелл-Манн выполнил и другие теоретические исследования, но обо всем не расскажешь. Он дважды съездил в Европу, причем с немалым успехом. В частности, именно его доклад на физической конференции в Пизе в июне 1955 года привел к окончательному признанию концепции слабого взаимодействии, которую восемью годами ранее выдвинул ученик Энрико Ферми Бруно Понтекорво (M. Gell-Mann, The Interpretstion of the New Particles as Diplaced Charge Multiplets, Nuovo Chimento Supplement 4, 848-66 (1956). В том же году изменилась и его личная жизнь. 19 апреля он вступил в законный брак с выпускницей Кембриджского университета англичанкой Маргарет Доу, которая работала в Институте фундаментальных исследований помощником археолога. Он с ней познакомился годом ранее в Принстоне на приеме у своего коллеги, известного физика-теоретика, а в будущем замечательного историка науки Абрахама Пайса, который нам встретится в следующем разделе. И, last but not least, при посредничестве Ричарда Фейнмана он получил постоянную должность в Калтехе с отличным жалованьем.
В 1957 году Гелл-Манн стал полным профессором, самым молодым в тогдашней истории Калтеха. Этому не помешала его склонность слишком настаивать на своем научном приоритете, подчас без достаточных оснований, что в университетских кругах не приветствуется — да и вообще, коллегам подчас было нелегко с ним общаться. В Пасадине он проработал без малого четыре десятилетия, до 1993 года. В 1969 году он стал Нобелевским лауреатом — это в дополнение к другим почетным званиям и наградам. Он опубликовал, один или в соавторстве, три книги и почти полтораста статей, из которых около дюжины считаются классическими. Так что его труды и дни оказались и долгими, и очень славными.
ПОЯВЛЕНИЕ СТРАННЫХ ЧАСТИЦ
Марри Гелл-Манн в пору расцвета своей активности как физика-теоретика в третьей четверти двадцатого века внес фундаментальный вклад в понимание природы субатомных частиц. Чтобы оценить смысл и значение его исследований, надо прежде всего разобраться в том, в каком состоянии он застал эту важнейшую область физики на заре своей научной карьеры.
После Второй Мировой войны картина микромира выглядела просто и понятно. Все известные частицы делились на две группы согласно величине их спина, который измерялся целым или полуцелым числом, умноженным на так называемую приведенную постоянную Планка. 6 декабря 1945 года Поль Дирак в публичной лекции Developments in Atomic Theory назвал частицы с целочисленным спином бозонами, а с полуцелым — фермионами, и эти ярлыки мгновенно были признаны физиками. Нуклоны (протоны и нейтроны) и электроны входили в состав атомов, что уже давно не подвергалось ни малейшим сомнениям. Пи-мезоны, они же пионы, веденные в теоретическую физику в 1935 году Хидеки Юкавой и открытые через 12 лет в космических лучах, а годом позже полученные на 184-дюймовом циклотроне Калифорнийского университета в Беркли, отвечали, согласно теории, за взаимодействие нуклонов в атомных ядрах и, следовательно, тоже были при деле. Предсказанные Вольфгангом Паули еще до пионов, но пока что не детектированные нейтрино были настолько нужны для объяснения бета-распадов атомных ядер, что их существование не вызывало сомнений. Каждой частице полагалась античастица, и некоторые из них уже были обнаружены. Вне этой абсолютно функциональной схемы оставались лишь известные с 1937 года мю-мезоны, или мюоны, тяжелые нестабильные аналоги электронов, которые возникали при распадах заряженных пионов и быстро превращались в нейтрино и электроны или позитроны. Тогдашние физики не очень понимали, почему пионы не порождают стабильные частицы без промежуточной инстанции в лице мюонов.
Эта модель субатомного мира ненадолго пережила открытие пионов. Начало ее краху положила статья манчестерских физиков Джорджа Рочестера и Клиффорда Батлера, опубликованная в том же 1947 году в журнале Nature. Изучая космические лучи с помощью камеры Вильсона, они заметили на одной из фотографий пару треков с общим началом. Поскольку в магнитном поле эти треки расходились как латинское V, Рочестер и Батлер поняли, что они порождались заряженными частицами разных знаков (позже выяснилось, что это были пионы). Соавторы предположили, что необычные треки — это результат распада неизвестной частицы с нулевым зарядом, не оставившей собственного следа в вильсоновской камере. Расчеты показали, что ее масса составляет около 500 МэВ, что в тысячу раз больше массы электрона. Не мудрствуя лукаво, первооткрыватели нарекли ее просто V-частицей.
Это было лишь начало. В 1949 году Сесил Пауэлл и его коллеги из Бристольского университета, тоже изучавшие космические лучи, обнаружили на фотоэмульсии след заряженной частицы такой же массы, давшей начало не двум, а трем пионам. Позже выяснилось, что и она, и V-частица Рочестера и Батлера — различные представители семейства из четырех частиц, уступающих по массе протону (то есть, по тогдашним представлениям, относящихся к семейству мезонов). Их назвали К-мезонами, или каонами. Два заряженных каона имеют массу 494 МэВ, а два нейтральных — 498 МэВ. Интересно, что Рочестер с Батлером в 1947 году также наблюдали редкий распад положительного каона на положительный и нейтральный пионы, но не смогли его интерпретировать. Более того, самое первое наблюдение события с участием каона имело место в 1943 году, однако эта информация появилась в печати только после войны. Наконец, надо отметить, что первый след каонного распада еще в 1948 году заметила на фотоэмульсии 22-летняя аспирантка Пауэлла Розмари Браун (после выхода замуж, Розмари Фаулер), которая была жива во время написания этой статьи.
Дальше — больше. В 1950 и 1951 годах сотрудники Мельбурнского и Манчестерского университетов сообщили об открытии в космических лучах частицы чуть тяжелее протона (по современным данным, 1116 МэВ против 938 МэВ) и нейтрона — следовательно, не имевшей права именоваться мезоном. Она тоже не несла электрического заряда и распадалась на протон и отрицательный пион, которые опять-таки расходились по V-образным трекам (позднее выяснилось, что она также может распадаться на пару незаряженных частиц, нейтрон и нейтральный пион). Для ее названия задействовали греческую букву Λ (лямбда). Позднее были открыты и другие частицы со сверхпротонными массами. В 1953 году выдающийся французский исследователь космических лучей Луи Репринс-Ринге назвал их гиперонами. Стоит отметить, что в первой половине 1950-х годов он и его коллеги по парижской Политехнической школе получили в своей альпийской обсерватории много важнейших данных о свойствах странных частиц. Эти исследования прекратились после 1955 года, когда пальма первенства в этих экспериментах прочно перешла к работам на новых ускорителях.
Новые частицы, чьи треки наблюдались в вильсоновских камерах и толстослойных фотоэмульсиях, выглядели весьма загадочно. Они появлялись на свет в столкновениях родительских частиц и все без исключения довольно быстро исчезали. При этом они распадались как на стабильные (например, электрон), так на нестабильные (такие как мюон и пион) частицы уже известных типов. Это стало совершенно ясно, когда в 1953 году в Брукхейвенской Национальной лаборатории заработал первый в мире ускоритель-миллиардник Космотрон, который позволил в изобилии получать и каоны, и Λ-частицы. Главная загадка, которая была с ними связана, состояла в том, что время их жизни составляло 10-10 — 10-13 сек, в то время как тогдашняя теория высокоэнергетичных ядерных превращений укладывала его границы в диапазоне от 10-20 до 10-23 сек. Более того, они появлялись только парами и никогда поодиночке, что тоже выглядело необычным.
Первый шаг к объяснению этих парадоксов в 1952 году сделал Абрахам Пайс, который тогда работал в принстонском Институте фундаментальных исследований. Он предположил, что парное возникновение на свет мезонов и гиперонов свидетельствует о существовании какого-то специфического свойства сильного ядерного взаимодействия, отвечающего за их рождение. А поскольку при их распадах принцип парности уже не соблюдался, эти распады, по мысли Пайса, должны были управляться слабым ядерным взаимодействием (тем самым, которое проявляет себя в давным-давно известных к тому времен бета-распадах). Это позволяло естественным образом объяснить долгоживучесть новых частиц — фигурально выражаясь, слабое взаимодействие не могло вызвать их превращения так же быстро, как сильное.
Второй шаг уже на следующий год независимо друг от друга сделали Гелл-Манн (в упоминавшейся в предшествующем разделе статье о новых нестабильных частицах) и физики из университета Осаки Тадео Накано и Кадзухико Нисидзима (Tadao Nakano and Kazuhiko Nishiyima, Charge Independence for V-particles, Progress of Theoretical Physics, 10, 581-82 (1953). Они предложили приписать этим частицам новое целочисленное квантовое число, которое имеет смысл только для адронов, частиц, участвующих в сильных ядерных взаимодействиях. Гелл-Манн назвал это число странностью, а его японские коллеги эта-зарядом (η-заряд). Гелл-Манну повезло больше, его терминологическое нововведение закрепилось. По определению, странность «прежних» адронов с нормальным поведением, то есть протонов, нейтронов и пионов, считалась нулевой, а ненулевые странности «новых» частиц и их античастиц отличались знаком. Предполагалось, что странность сохраняется в сильных взаимодействиях, но может нарушаться в слабых. Проблема поведения странности в электромагнитных взаимодействиях тогда практически не ставилась, однако вряд ли кто-то сомневался, что там она тоже сохраняется.
Рассмотрим эту схему на хрестоматийном примере возникновения нейтрального каона и нейтральной же Λ-частицы при столкновении протона и отрицательного пиона. Коль скоро сумма странностей исходных частиц нулевая, такой же она должна быть у частиц-потомков. Так будет, если приписать каону странность плюс один, а Λ-частице — минус один (возможны и другие варианты, но исторически был выбран именно этот). Затем Λ0 превращается в протон и отрицательный пион, а К0 дает начало паре из положительного и отрицательного пионов. Эти превращения управляются уже не сильным, а слабым взаимодействием, и потому странность не сохраняют. Аналогично можно интерпретировать и прочие подобные реакции.
В середине 1950-х годов Гелл-Манн (M. Gell-Mann, The Interpretation of the New Particles as Displaced Charge Multiplets, Il Nuovo Cimento, 4, 848-866 (1956) и Нисидзима (Progress of Theoretical Physics, 13, 285 (1955) предложили (опять-таки независимо) очень красивую формулу, связывающую странность с тремя другими характеристиками частиц — электрическим зарядом, изотопическим спином, он же изоспин (о происхождении этого двойного названия я расскажу позже), и барионным зарядом, или барионным числом. Последнее в 1938 году ввел в физику чрезвычайно одаренный, но, к сожалению, не слишком везучий и потому не особенно известный швейцарский физик барон Эрнст Штюкельберг, чье имя выше я уже называл, который с его помощью объяснил стабильность протона. Выглядит эта формула очень просто:
Q = Iz + ½ (B + S) = Iz + ½ Y
(здесь Q — электрический заряд, Iz — проекция изоспина, В — барионное число, и S — странность. Сумма барионного числа и странности Y получила название гиперзаряда.
Эта формула родилась не на пустом месте. Физики и ранее проследили аналогичное соотношение для «обычных» адронов Q = Iz + ½B. Оно описывает связь между электрическим зарядом, изоспином и барионным числом для протона, антипротона, нейтрона, антинейтрона и тройки пионов — то есть, единственно известных адронов, не обладающих странностью. Поскольку таковых мало, а формула очевидна, ей не придавали особого значения. Добавка странности к барионному числу позволило распространить ее на множество новооткрытых адронов.
Гелл-Манн и Нисидзима положили в основу своей формулы экспериментальные данные, однако позднее она получила обоснование и была расширена на основе кварковой модели и теории групп. Хотя ее физический смысл в то время был непонятен, она показала, что новое квантовое число «странность» не произвольно, а имеет какие-то связи с уже известными квантовыми числами (конкретно, сохранение странности в сильных взаимодействиях оказалось связано с сохранением изоспина, электрического заряда и барионного числа). Поэтому исторически она стала важным промежуточным шагом к созданию модели кварков.
В мае 1956 года Гелл-Манн в составе группы американских физиков (Вайскопф, Пайс, Фримен Дайсон и несколько других) впервые посетил СССР для участия в научной конференции в Москве. Там он имел случай поспорить с Львом Давидовичем Ландау, который яростно, как он умел, настаивал на бесперспективности теоретико-полевого подхода для объяснения свойств адронов и возлагал все надежды на описание их превращений через матрицы рассеяния, они же S-матрицы. Как считается (не могу это проверить) Ландау даже говорил, что квантовую теорию поля следует с честью похоронить и заняться другими методами. И в это тогда многие верили.
Гелл-Манн в 1950-е годы тоже уделял много внимания этим проблемам. В 1954 году он вместе со своим другом Голдбергером показал, что в квантовой теории поля соблюдается особый вид симметрии — кроссинг-симметрия. Из нее следует, что амплитуда любого процесса не меняется, если поменять начальные и конечные состояния частиц и одновременно заменить их на античастицы. Гелл-Манн и позднее сотрудничал с Голдбергером, который стал мировым авторитетом в области теории рассеяния. В конце 1950-х годов он одно время даже разделял сомнения в эффективности квантовой теории поля для описания адронов, которые, повторю, тогда высказывал отнюдь не только Ландау. Например, в США лекции по теории поля читались в основном в университетах Восточного побережья, а в Беркли и Калтехе царила и правила школа, развивавшая аппарат S-матриц. Как говорится, из песни слова не выкинешь.
Однако у Гелл-Манна были и другие интересы. В 1957 году он построил модель адронов, объединив их на основе так называемой глобальной симметрии, но этот подход оказался неудачным (M. Gell-Mann, Model of the Strong Coupling, Physical Review, 106, no. 6. 1296-1300 (1957). Его бесперспективность стала ясна далеко не сразу, публикации, развивающие подобные идеи, появлялись в печати еще три-четыре года, но в конце концов к нему потеряли интерес. Однако несомненным успехом оказалась появившаяся годом позже статья, написанная Гелл-Манном совместно с Ричардом Фейнманом (R. Feynman and M. Gell-Mann, Theory of the Fermi Interaction, Physical Review, 109, no. 1, 193-98 (1958). Там была рассмотрена V-A модель слабого взаимодействия, которая стала важным этапом в теоретическом прогрессе физики частиц. Это название связано с видом ее лагранжиана, который объединяет векторные (V) и аксиальные (A) токи. Она позволила максимально эффективно (конечно, для того времени) сформулировать единую теорию слабого взаимодействия, которая адекватно описывала как процессы бета-распада, так и распад мюонов с учетом доказанного к тому времени несохранения четности в этих процессах.
Однако с этой статьей Фейнмана и Гелл-Манна связана несколько сомнительная история. V-A теорию в основном построил в начале 1957 года Джордж Сударшан, приехавший из Индии аспирант профессора Рочестерского университета Роберта Маршака. Работа Сударшана основывалась на детальном анализе результатов множества экспериментов и теоретических исследований, посвященных процессам с участием слабого взаимодействия, и потому была очень хорошо фундирована.
А дальше произошло нечто странное. Маршак и Сударшан подробно рассказали о V-A модели Гелл-Манну, который полностью принял их аргументы. По неизвестным до сих пор причинам Маршак решил не публиковать эту работу немедленно в США, а сначала доложить на международной конференции по мезонам и новооткрытым частицам, которая в сентябре 1957 года должна была пройти в Италии. В результате статья Фейнмана и Гелл-Манна вышла первой и потому получила большинство ссылок. Надо еще раз отметить, что они не придумали, а только использовали эту модель, хотя и вполне плодотворно. В своей статье 1958 года они поблагодарили Сударшана и Маршака за важные дискуссии, но дальше этого не пошли. Многие специалисты считают, что своей медлительностью Маршак лишил себя и Сударшана шансов получить Нобелевскую премию. В 1963 году Фейнман признал приоритет Сударшана и Маршака, а сделал ли это Гелл-Манн, мне неизвестно. Впрочем, это уже другая история.
1960 год Гелл-Манн провел в Европе, где базировался в парижском Коллеж-де-Франс. Там он продолжал заниматься V-A моделью и опубликовал свои результаты в двух статьях, одна из которых написана вместе с Джереми Бернстайном и Луи Мишелем, а вторая — с Морисом Леви. Во время этой поездки он официально представлял Калтех в Лондоне на юбилейных торжествах по случаю 300-летия Королевского общества, которое было основано 28 ноября 1660 года.
Еще до отъезда Гелл-Манна в Европу Марвин Голдбергер уговорил его присоединиться к организованной в 1959 году группе ведущих ученых США, согласившихся консультировать власти (в основном, Пентагон и НАСА) по вопросам военного планирования и сопутствующим темам. Для Гелл-Манна это занятие не было новым, поскольку он ранее уже был консультантом корпорации RAND. Когда встал вопрос о названии группы, жена Голдбергера предложила, чтобы муж и его единомышленники именовали себя Ясонами в честь предводителя аргонавтов. Это название было принято без возражений. Кроме Гелл-Манна, в число Ясонов вошли такие звезды, как Ганс Бете. Юджин Вигнер, Эдвард Теллер (куда же без этого суперястреба!), Джон Уилер, Леон Ледерман и многие другие. Но это так, к слову.
Теперь вернемся к экзотическим частицам, чье число быстро росло. В начале второй половины прошлого века арсенал экспериментаторов пополнился еще одним замечательным детектором частиц, пузырьковой камерой. В этом приборе треки заряженных частиц формируются благодаря вскипанию перегретой жидкости при их пролете. Она была изобретена в 1952 году Дональдом Глазером и усовершенствована Луисом Альваресом. В результате в 1950-е годы были открыты еще две группы странных частиц тяжелее протона. Это три сигма-частицы, Σ+, Σ— и Σ0 с массами порядка 1190 МэВ и две частицы (отрицательно заряженная и нейтральная) с массой около 1320 МэВ, обозначаемых греческой буквой Ξ (кси). Анализ их распадов показал, что членам триплета Σ-частиц надо приписать странность минус 1, а каждой из частиц Ξ-дублета — минус два. Тогда же было показано, хотя и не вполне достоверно, что все странные частицы тяжелее протона обладают половинным спином — следовательно, являются фермионами.
