Кварки, протоны, Вселенная - Владилен Барашенков

Частицы называют элементарными по традиции, но физики отдают себе отчет в том, что каждый такой «элемент» — сложная материальная система.

И все же недавно физики нащупали еще один этаж в строении вещества — нашли частицы, которые по сравнению со всеми открытыми раньше можно считать сверхэлементарными. Это кварки и антикварки — микрообъекты, которые находятся внутри элементарных частиц и которые пока никак не удается выделить в свободном виде. Тем не менее в их существовании уверены сегодня все физики.

Полагают, что кварк и антикварк имеют по нескольку состояний (вспомним аналогию с многогранником, разные стороны которого обладают различными свойствами). Сложение трех кварков в различных состояниях дает нуклон и гипероны — тяжелые, чем-то напоминающие нуклон частицы с очень коротким временем жизни. Сложение кварка и антикварка дает мезоны различных типов. В общем, из кварков и антикварков, как из блоков, можно «составить» нуклоны, мезоны и все остальные частицы.

Как самостоятельные частицы кварки и антикварки существуют где-то глубоко внутри элементарных частиц. На их периферии кварки могут находиться лишь в форме связанных сгустков, например в виде пи-мезонов. И вот что удивительно: «кварковый конструктор», или, как говорят физики, «кварковый счет», объясняет большое число экспериментальных фактов, с его помощью открыты новые типы элементарных частиц, и в то же время все попытки обнаружить свободные кварки в эксперименте терпят неудачу.

И еще более удивительный факт. Хотя кварка никто никогда не видел, тем не менее есть способ его «пощупать» и при этом не только определить заряд, магнитный момент и другие характеристики этой таинственной частицы, но даже оценить ее размеры. Кварк еще не открыт, но ощутить его уже можно!

Скептик может сказать, что рассуждать о свойствах частицы, которую никто не видел,— это все равно, что делить шкуру неубитого медведя. Но не будем торопиться. Вспомним про электрон, размеры которого очень малы, благодаря ему с его помощью можно исследовать самые мелкие детали глубоко внутри протона. Если бы протон представлял собой единую, монолитную систему, то вели-чина импульса столкнувшегося с ним и отскочившего в обратном направлении электрона давала бы нам сведения о скорости протона как целого. Но что получится, если протон состоит из отдельных частиц? Совсем другая картина: каждый раз электрон будет отскакивать от какой-то одной из них. И по характеру этих отскоков мы как раз и могли бы судить о распределении входящих в состав нуклона частиц, об их скоростях и других свойствах.

Похоже на радиолокацию, не правда ли? При слежении за летящим самолетом отраженный луч дает оператору сведения о его размерах и скорости, точь-в-точь как в опытах с рассеянием электронов на монолитном нуклоне! На экране локатора видна яркая светящаяся точка. Если же самолет будет поражен ракетой и разлетится на осколки, каждый из них отразит свой луч, к оператору придет целый набор лучей, и он увидит на экране размазанное световое пятно. Если же осколки разлетятся далеко друг от друга, на экране возникнет группа светящихся точек.

Так вот, электроны отскакивают от протона так, будто это целый рой отдельных частичек. Такой же результат дают опыты с рассеянием нейтрино на протонах и нейтронах. Анализ экспериментов показывает, что размеры частиц, рассеивающих электроны и нейтрино, по крайней мере раз в 10 меньше радиуса протона и что их свойства в точности совпадают с тем, что предсказывает теория кварков.

Тут сразу же, конечно, возникает вопрос, почему же тогда не удается обнаружить свободные кварки, не связанные в пары и тройки. Может, опыты недостаточно точны?

Нет, дело не в этом. Опыты повторялись много раз и в разных лабораториях. И все они были выполнены с высокой точностью. И тем не менее всякий раз результат был отрицателен: кварк оставался неуловимым! Создается впечатление, что мы видим туманные контуры чего-то совершенно непохожего на все, с чем мы до сих пор имели дело, и любая попытка описать это «нечто» на языке привычных представлений сразу же приводит к противоречиям. Американский физик Алекс Пановский, который первым обнаружил зернистое строение протонов, как-то заметил: природа, видимо, старается показать нам что-то очень простое, чего, однако, никто не видит...

В начале нашего века, анализируя философские, проблемы, которые выдвинуло развитие физики, В. И. Ленин высказал знаменитую мысль о неисчерпаемости электрона. Развитие науки подтвердило этот вывод, причем и философам, и физикам стало ясно, что под неисчерпаемостью следует понимать не только чисто механическую делимость, когда каждая часть состоит из еще более мелких частей. «Более глубокое» — это не всегда «меньше по размеру». На каждой ступени лестницы, ведущей в недра материи, мы находим множество новых свойств и новых физических объектов. Для их объяснения нам приходится спускаться на следующую ступень, и этот процесс углубления может быть бесконечным. Может, однако, случиться и так, что, изучая микромир, мы будем встречаться со все большей и большей энергией, и круг, так сказать, замкнется: в микромире мы снова встретимся с объектами и явлениями макроскопического порядка. Вот что такое истинная неисчерпаемость, понимаемая широко и в философском, и в физическом смысле.

Скорее всего, дело именно так и обстоит. Как подсказывает нам теория относительности, пространственно-временные масштабы микромира могут «переворачиваться», подобно песочным часам, и то, что было очень большим, может стать очень малым, а что было очень малым, наоборот, очень большим. Не будет чрезмерным преувеличением сказать, что в недрах элементарных частиц природа спрятала еще одни ворота в космос. Может быть, даже главные!

Это очень сложный вопрос. Мы вернемся к нему после того, как подробнее познакомимся с другими необычными свойствами микроявлений и разберемся в причинах неуловимости кварков.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ.

В ней говорится о том, что находится за порогом неизвестного: об универсальном конструкторе, об анатомии кварка, о таинственных хиггсонах и других вещах, которые обсуждают теоретики, но никогда еще не видели экспериментаторы

По преданию, великий древнегреческий ученый Архимед открыл свой знаменитый закон, купаясь в ванне. Погруженное в жидкость тело теряет в своем весе ровно столько, сколько весит вытесненная им жидкость. Сегодня об этом знает каждый школьник. Так вот, при взаимодействии частиц происходит нечто похожее. Частицы оказываются погруженными в силовое поле, в своеобразную силовую ванну, и их массы уменьшаются — частицы становятся легче. Излишняя масса в виде излучения выплескивается в окружающее пространство. То же самое происходит при слиянии атомных ядер — здесь «брызги энергии» разлетаются во все стороны в виде быстро движущихся частиц и электромагнитных волн.

Выделение энергии в процессах слияния может быть огромным, как это происходит, например, при взрыве водородной бомбы, когда из каждых двух ядер тяжелого водорода, содержащегося внутри бомбы, образуется ядро гелия. Чем больше высвобождается энергии, тем более плотной и крепко связанной оказывается составная система — ядро или частица и тем труднее расщепить ее на части. Интенсивное силовое поле внутри такой системы напоминает густой сироп, в котором плавают ягодки-частицы.

Но вот что сейчас нам важно усвоить: масса поля, связывающего протон и нейтроны в ядро тяжелого водорода, в тысячи раз меньше их собственной массы. Поэтому, объединяясь в ядро, эти частицы не теряют своей индивидуальности — остаются сами собой. А вот внутри самого протона и нейтрона связи настолько сильны, что кварки, мезоны и другие частицы, из которых слеплен нуклон, почти полностью, если можно так выразиться, растворены в энергии их взаимодействия. Внутри элементарной частицы на связь ее частей уходит значительная доля общей энергии и массы. Это как раз и отличает элементарную частицу от тех частиц, которые мы называем составными, хотя и те и другие имеют сложную внутреннюю структуру.

Энергию связи вычислить нетрудно. Она равна разности массы частицы и суммы масс частиц — ее компонентов. Зная эту энергию, мы сразу можем сказать, элементарная перед нами частица или же составная, сложная.

Плохо только, что элементарных частиц набирается слишком уж много — несколько сотен, список их продолжает расти, и конца ему пока не видно. А если верить теории, то при слиянии любой пары частиц должна образоваться новая частица, поэтому число элементарных частиц вообще может оказаться бесконечным. Расчеты показывают, что, например, частиц, которые в 2—3 раза тяжелее протона, должно быть сотни тысяч, а частиц с массой в 5 раз тяжелее протона — сотни миллионов!

Трудно, по правде говоря, согласиться с тем, что природе понадобилось такое огромное количество простейших «строительных деталей». Весь наш предшествующий опыт свидетельствует о том, что природа всегда экономна в своих средствах. Но, с другой стороны, какое природе дело до нашего опыта и наших привычек?