Кризис непонимания [5A]

Наряду с электрическим зарядом, спин является одной из важнейших характеристик частиц, определяющих их свойства и поведение при взаимодействиях, а значит и все свойства материи. Причем для той области, которую описывает квантовая хромодинамика, роль спина оказывается едва ли не самой главной.

Атом водорода, к примеру, может иметь суммарный спин 0 (+1/2 –1/2) или 1 (+1/2 +1/2), в зависимости от того, антипараллельны или параллельны направления спинов протона и обращающегося вокруг него электрона. Но разница в энергии этих двух альтернатив оказывается чрезвычайно мала, порядка 10-15, то есть лишь несколько триллионных долей от массы протона. А вот если для сравнения рассмотреть другую систему с аналогичной энергией, но управляемую не электромагнитными, как в атоме водорода, а сильными ядерными взаимодействиями, то картина выглядит в корне иначе.

Нестабильная частица Δ+ (дельта плюс, ее знак означает электрический заряд +1) состоит, согласно КХД, из тех же самых трех кварков, что и протон, но с несколько иным сочетанием в направлениях спинов. В результате этих сочетаний спин протона равен 1/2, а спин Δ+ равен 3/2. Различие спина на ту же единицу, как в атоме водорода, но при этом частица Δ+ оказывается на целых 30 процентов массивнее протона (1,2 ГэВ против 0,9 ГэВ). Столь существенное различие частиц с одинаковым, в общем-то, составом в теории КХД традиционно принято объяснять энергетическим вкладом от ориентации спинов кварков. Однако и здесь эксперименты не подтверждают теорию.

В середине 1980-х годов исследовательская группа EMC (Европейская мюонная коллаборация) занялась тщательным исследованием спиновой структуры протона с помощью ускорителей центра CERN под Женевой. Согласно Стандартной Модели, напомним, элементы атомного ядра – протоны и нейтроны – образованы разным сочетанием кварков U (up) и D (down), иначе именуемых кварками валентности. Сочетаниями-тройками этих кварков (UUD для протона и UDD для нейтрона) принято объяснять электрический заряд, спин и другие известные свойства частиц. Правда, за все годы настойчивых поисков реально так и не удалось ни разу зарегистрировать дробные электрические заряды, приписываемые кваркам (+2/3 для U и –1/3 для D). С другой же стороны, в результате экспериментов EMC в ЦЕРНе было обнаружено, что на самом деле ни один из кварков валентности не отвечает за спин протона и, более того, даже все вместе они дают весьма небольшой вклад в спин протона.[1]

*

В последующие годы данные результаты были неоднократно подтверждены и уточнены в других научных центрах, что породило в физике частиц так называемый «спиновый кризис», полностью не разрешенный и по сию пору. Коль скоро на долю 3 главных кварков валентности удалось возложить от силы 20-30% спина протона, настоятельно требовалось отыскать энергетический источник остальных 70-80 процентов. Эту долю в общих чертах разделили на вклад от спина глюонов (частиц-переносчиков сильных взаимодействий) и от орбитального углового момента вращения всей совокупной энергии в нуклоне (включая и глюоны, и мерцающий танец виртуальных частиц – странных кварков и кварк-антикварковых пар – которые, вообще говоря, не принято считать составной частью окружающей нас материи). В точности рассчитать и объяснить все эти вклады не представляется возможным, так что пока теоретикам остается уповать на итоги более точных и совершенных экспериментов в будущем.[2]

Примерно в то же самое время, когда в физике частиц разразился спиновый кризис, в физике твердого тела произошло иное крайне неожиданное событие – открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Явления, с одной стороны, чрезвычайно полезного в смысле разнообразных практических приложений, а с другой – имеющего глубоко неясную для науки природу, противоречащую всем общепринятым теориям.

Глубина непонимания такова, что и ныне – четверть века спустя после открытия и очень интенсивных исследований – высокотемпературная сверхпроводимость в сложносоставных керамических материалах, по преимуществу на основе слоев оксида меди, сильнейшим образом продолжает озадачивать ученых. Как шутят сами физики, разных гипотез, пытающихся объяснить ВТСП, сегодня примерно столько же, сколько теоретиков, работающих в данной области.[3]

До середины 1980-х годов явление сверхпроводимости, определяемое как полное отсутствие сопротивления электрическому току, наблюдалось только в металлах и металлических сплавах, охлажденных до крайне низких температур менее 23 градусов Кельвина. Но в 1986 году швейцарские физики Георг Беднорц и Алекс Мюллер создали искусственный материал-компаунд, оксид меди с примесями лантана и бария, который в обычных условиях является изолятором, однако подвергнутый охлаждению становится сверхпроводником при необычно «высокой» температуре перехода 36 К. Вскоре были открыты еще несколько похожих материалов, включая иттрий-бариевый оксид меди, с температурой перехода выше температуры жидкого азота −196°C (77 K). Это открыло широчайшие перспективы для практического применения сверхпроводимости, поскольку технологии сжижения азота давно освоены и сравнительно дешевы.

**

Применительно к понятиям повседневной жизни подобные температуры, конечно, воспринимаются как чрезвычайно холодные, однако для исследователей сверхпроводимости 77К считается весьма высокой температурой. По той хотя бы причине, что имеющаяся у физиков теория допускает сверхпроводимость лишь при температурах в пределах от 0 до 20 с небольшим градусов Кельвина, в зависимости от конкретного материала.

Из экспериментов хорошо известна общая особенность всех – обычных и высокотемпературных – сверхпроводников, состоящая в том, что электроны в материале при температуре перехода каким-то образом преодолевают свое взаимное электростатическое отталкивание и образуют пары. Таким образом из электронов формируется своего рода сверхтекучая квантовая жидкость, которая далее движется в проводнике без трения или, иначе говоря, без электрического сопротивления.

Теория Бардина-Купера-Шриффера (или кратко BCS) вполне удовлетворительно объяснила механизм низкотемпературной сверхпроводимости еще в середине 1950-х годов. По этой теории образование электронных пар, получивших название «куперовских», происходит в результате взаимодействия электронов с колебаниями кристаллической решетки, представляемыми в виде квазичастиц фононов. Теория BCS создавалась на основе квантовой теории поля, трактующей все взаимодействия как обмен частицами, поэтому представление квантованных колебаний ионов кристаллической решетки материала в виде перемещения квазичастиц было наиболее естественным. Результатом же такого взаимодействия электронов с кристаллической решеткой становилось то, что у объединившиеся в куперовскую пару частиц спины оказывались антипараллельны, а суммарный угловой момент, соответственно, становился равным нулю.

К сожалению, для объяснения высокотемпературной сверхпроводимости этот механизм формирования куперовских пар оказался совершенно непригоден. Хотя в то же время имеется достаточно экспериментальных свидетельств, что и в данном случае спиновые свойства частиц и здесь играют какую-то очень важную роль. Правда, пока не очень ясно, какую именно.

***

Вот что, в частности, показывают недавние эксперименты по рассеянию нейтронов на сверхпроводящих кристаллах. Высокотемпературные сверхпроводники состоят из тонких параллельных слоев оксида меди. Атомы меди лежат в узлах квадратной решетки, причем каждый из этих атомов имеет непарный электрон, а потому и магнитный момент или спин. Взаимное расположение этих спинов в решетке можно установить с помощью экспериментов по рассеянию нейтронов.

В 2004 г. британско-американская команда исследователей (Bristol University & ISIS, Oak Ridge Lab & Missouri-Rolla University) в совместных экспериментах изучала иттрий-бариевый оксид меди (YBCO). Важнейшим их результатом было открытие, что когда образец возбуждается нейтронами, то спины меди отвечают как группа, а не индивидуально. По мнению экспериментаторов, это так называемое коллективное магнитное возмущение означает, что спины решетки сильно взаимодействуют, а эти взаимодействия могут обеспечить «клей», отвечающий за удержание куперовских пар вместе в материале.[4]

Эта идея, впрочем, пока что лишь одна из очень многих гипотез, окружающих феномен ВТСП. Фундаментальная проблема теоретиков далеко не только в том, чтобы отыскать рабочую модель и подходящую формулу, предсказывающую уникально высокие значения температуры перехода в сверхпроводящее состояние в оксидах меди. Уже давно ясно, что сверхпроводимость – это лишь один из аспектов уникальной и сложной диаграммы фазовых состояний, демонстрируемой этим классом материалов.

В зависимости от температуры и уровня добавок примесей, эти вещества могут вести себя как изоляторы, металлы или сверхпроводники. Причем и в обычном, несверхпроводящем состоянии эти материалы демонстрируют весьма необычные свойства. И объяснить этого не может ни одна теория. Включая, ясное дело, и грандиозно успешную Стандартную Модель.

←Ранее

↑На уровень вверх↑

Далее→

[1] Klaus Rith and Andreas Schäfer. “The Mystery of Nucleon Spin”. Scientific American, July 1999, p. 58-63

[2] Claude Marchand. “Nucleon spin structure studies at COMPASS”, AIP Conference Proceedings, Vol. 814. American Institute of Physics, 2006, p.391-395

[3] Maurice Rice. “Explaining high-Tc superconductors”, Physics World, December 1999; Valerie Jamieson. “New frontiers in superconductivity”, Physics World, January 2002

[4] S. M. Hayden, H. A. Mook et al. “The structure of the high-energy spin excitations in a high-transition-temperature superconductor”. Nature 429, 531-534 (3 June 2004)