Кварки, протоны, Вселенная - Владилен Барашенков

Теперь должно стать понятно, почему не удается расколоть нуклон на три кварка: сколько по нему ни бей, из него всякий раз будут вылетать целые частицы, а не их осколки — кварки и глюоны!

Впрочем, все эти соображения о свойствах глюонных сил имеют пока только качественный характер. Ни теория, ни эксперимент не могут сказать, достаточно ли этих сил для полного удержания кварков внутри элементарных частиц. Специалисты предполагают, что это так, но здесь могут быть и сюрпризы.

Нельзя сказать, чтобы ученых удовлетворяло создавшееся положение. Один физик как-то заметил, что конференции по теорий кварков напоминают ему историю о том, как однажды мыши собрались на конгресс, чтобы решить, что им делать с разбойником-котом. Долго и с жаром спорили, судили, рядили, пока одна из них не предложила:

— Надо подвесить ему колокольчик!

— Правильно! — обрадовались остальные и, довольные найденным решением, стали расходиться.

— Но кто же это сделает? — нерешительно пискнул молодой мышонок.

— Детали — в рабочем порядке! — оборвал его председатель...

В любой науке, не только в физике, есть утверждения, доказательство которых приходится откладывать до лучших времен. А уж когда имеешь дело с экспериментом, гипотез никак не избежать. Строгая теория придет потом, а на первых порах это единственная возможность как-то осмыслить и привести в порядок результаты опытов.

Чтобы лучше понять природу и свойства сил, запирающих кварки внутри частиц, физики строят теоретические модели. Эти модели не только учитывают уже известные факты, но и содержат новые предположения. Результаты модельных расчетов проверяются опытом. Модель уточняется. За этим следуют новые эксперименты.

В правильности гипотезы «кварковой тюрьмы» внутри элементарных частиц, или «конфаймента» (в буквальном переводе с английского «тюремное заключение», как часто говорят физики, убеждают нас успехи хромодинамики. Так по аналогии с электродинамикой называют теперь раздел физики, изучающий кварк-глюонные взаимодействия. Электродинамика описывает взаимодействие фотонов с электрическим зарядом, хромодинамика — взаимодействие глюонов с цветовым зарядом. Она хорошо согласуется с опытом, и из ее формул следует, что связь «цветных» частиц действительно становится более сильной при увеличении расстояния между ними. К сожалению, точно решать уравнения хромодинамики мы умеем пока только для малых расстояний, в других случаях возможны лишь приблизительные модельные прикидки.

Неожиданный результат получается, если с помощью хромодинамики вычислить массу кварков на малых расстояниях, где они свободные, почти не взаимодействующие частицы. Оказывается, невзаимодействующие кварки очень легки: они весят в 100 раз меньше нуклона. Большей массой обладает кварк, входящий в состав странных частиц, но и он почти в 10 раз легче нуклона. Лишь у «очарованного» и «прелестного» кварка масса больше, чем у нуклона. Но эти кварки встречаются редко, окружающее нас вещество можно «слепить» почти без всякого их участия. Их было много лишь тогда, когда происходил синтез кваркового вещества.

С первого взгляда идея о легких кварках может показаться странной — как же из трех легких кварков «склеить» тяжелый нуклон? Откуда взять недостающую массу? Нельзя, однако, забывать о том, что нуклон состоит из трех кварков и окружающей их глюонной «шубы». Она-то в основном и дает недостающую массу. Легче всего «голые» кварки в центре нуклона. Но чуть только мы попытаемся «растащить» их, как тотчас возникнет сильное поле взаимодействия и кварки прибавят в весе. Чем дальше от центра частицы, тем они тяжелее, внутри элементарной частицы кварки ведут себя так, словно между ними натянуты некие эластичные нити.

На малых расстояниях эти нити расслаблены и не мешают движению кварков, а вот когда кварки пытаются разойтись, нити натягиваются и тем сильнее, чем дальше кварки удаляются друг от друга. Это самая простая модель «центральной свободы и периферического рабства» кварков.

Картина будет еще точнее, если читателю удастся представить себе пару взаимодействующих кварков в виде упругой глюонной струны с кварковыми зарядами на концах (вроде северного и южного полюса у намагниченного стержня), между которыми натянут жгут силовых линий глюонного поля. Когда кварки расходятся и струна натягивается слишком сильно, она может лопнуть и на месте разрыва сразу же вырастут два новых кварковых заряда. Разрывая такую струну, нельзя получить свободные кварки. А чтобы струна не сжалась в точку, можно предположить, что кварки вращаются вокруг ее центра. Возникающая при этом центробежная сила растягивает струну и компенсирует ее стремление сжаться. У частицы, как у вращающегося волчка, возникает момент вращения — спин.

Некоторые физики представляют себе элементарную частицу в виде эластичного пузыря, наполненного кварковым газом. Стремление оболочки пузыря сжаться уравновешивается внутренним давлением газа. Правда, «газ» внутри протона состоит всего лишь из трех кварков, а мезон наполнен «газом» из двух частиц — кварка и антикварка. Весьма условный газ, конечно, но на то и модель! Ее часто называют также «кварковым мешком». Физики, которые ее разрабатывают, разумеется, получили шутливое прозвище «мешочников». Между кварками внутри «мешка» можно ввести склеивающие силы. В зависимости от того, в каком состоянии взаимодействуют между собой эти частички, сам «мешок» по своим свойствам оказывается похожим на одну из известных нам частиц — на протон, гиперон, мезон и так далее. Массы этих частиц получаются очень близкими к тому, что наблюдается на опыте.

Научиться рассчитывать спектр масс частиц всегда было мечтой теоретиков. И никому это до сих пор не удавалось. И вот модель «кварковых мешков» впервые помогла теоретикам приблизиться к этой цели. Теперь «мешочники» пытаются изготовить кварковые «мешки» целиком из глюонного поля. Это позволило бы освободиться от грубого и все-таки очень приблизительного образа эластичной сжимающей оболочки и чисто теоретически рассчитать периферические силы сжатия. Одна из таких попыток связана с очень интересным явлением — образованием так называемых солитонов.

Давно было замечено, что в полях, обладающих самовоздействием (такие поля называются нелинейными) иногда образуются устойчивые волновые сгустки. Впервые это явление наблюдал еще в середине XVIII в. английский ученый Скотт Рассел на примере турбулентного движения воды. Вот как он сам описал его в одной из своих работ:

«Я наблюдал за движением баржи, которую с большой скоростью тянула по узкому каналу пара лошадей как вдруг баржа резко остановилась. Но отнюдь не остановилась приведенная ею в движение масса воды в канале. Неистово бурля, она стала собираться вокруг носовой части судна, а затем, вдруг покинув его, с огромной скоростью покатила вперед, приняв форму обособленного крупного возвышения — округлого, гладкого и резко очерченного скопления воды, которое продолжало свой путь по каналу без сколько-нибудь заметного изменения формы или уменьшения скорости».

Позднее такие волновые сгустки получили название солитонов — от английского слова solitary, что значит «отдельный», «уединенный». 1

Глюонное поле — нелинейное (вспомним о способности глюонов создавать вокруг себя новое глюонное поле), поэтому в нем могут образовываться солитоны! Расчеты показывают, что глюонные солитоны сами по себе, по-видимому, нестабильны и довольно быстро рассеиваются в пространстве. Однако есть надежда, что если в такой мешок-солитон поместить кварки, он приобретет устойчивость.

Конечно, все эти модели представляют собой сильно упрощенное и усредненное описание реального положения дел. Однако основанные на них расчеты дают спектр масс и многие другие характеристики, которые поразительно хорошо согласуются с опытом.

Нечто похожее в физике уже было, когда создавалась теория атома и квантовая механика. Тогда тоже существовали различные наглядные модели, с помощью которых ученые пытались если не объяснить, то хотя бы привести в систему новые факты. Например, очень популярной была модель, в которой атом рассматривался в виде набора механических резонаторов, отвечающих на внешние воздействия, подобно музыкальному инструменту. Английский физик Джон Томсон, незадолго до этого открывший электрон, представлял себе атом в виде положительно заряженной капли, внутри которой вибрируют электроны. Возникал и образ яблока из положительно заряженной мякоти с семечками-электронами. Резерфорд разрабатывал «солнечную» модель атома с планетами-электронами, вращающимися вокруг центрального ядра. Каждая из этих моделей была ступенькой на пути к современной квантовой картине.

Иногда приходит мысль: может, кварковые модели тоже всего лишь переходный мостик к какой-то совершенно новой картине микромира? Но едва ли... Квантовая механика принесла с собой принципиально новый закон движения. Мир точных устойчивых траекторий сменился расплывчатой, дрожащей картиной сталкивающихся и рассеивающихся волн. Как будто вы наблюдали за игрой футболистов на поле, и вдруг вам надели неподходящие очки и все перед вами расплылось. А с кварками ничего похожего. Изменились физические объекты, закон же движения остался прежним.