Кварки, протоны, Вселенная - Владилен Барашенков

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?

В целом вся эта картина напоминает атомистику Демокрита и его последователей с бесконечным числом первичных элементов. Выходит, мы не так уж и далеко ушли от древних. С этим тоже не хочется соглашаться. Невольно напрашивается мысль о каком-то более глубоком уровне «суперэлементарных» частиц, будь то кварки, о которых говорилось выше, или еще что-то. Тем более что нечто подобное в истории науки уже было — с атомами химических элементов. Их ведь тоже немало, а когда-то все они тоже считались элементарными — равноправными и неделимыми.

Когда имеешь дело с выступающим из берегов океаном элементарных частиц, первое, что хочется сделать,— это попытаться все-таки выделить какие-то «наиболее элементарные» частицы, из которых можно составить все остальные. Таких попыток было много. Однако из них пока ничего не вышло: все частицы оказались в равной степени «элементарны», и любую из них можно включить в группу основных, из которых строятся все остальные.

И все-таки многолетние усилия физиков не пропали даром. Было установлено, что частицы можно разбить на группы — мультиплеты, и члены каждого из них можно рассматривать как различные состояния одной и той же частицы. Были найдены мультиплеты, состоящие из восьми и десяти частиц, — так называемые октеты и декуплеты. Известны мультиплеты, содержащие всего лишь по одной частице; их называют синглетами.

Мультиплеты объединяются в более сложные семейства — супермультиплеты. Уже неплохо изучены супермультиплеты, состоящие из 35 и 56 частиц. И самое главное, выяснилось, что мультиплеты и супермультиплеты не изолированы друг от друга, они связаны определенными соотношениями — правилами симметрии.

Получается нечто вроде периодической системы частиц, похожей на ту, благодаря которой Менделеев навел порядок среди химических элементов. И подобно тому как менделеевская система помогла открыть не известные ранее элементы, симметрия мультиплетов тоже предсказывает существование новых элементарных частиц, в том числе и кварков.

Все мы помним, что менделеевская таблица начинается с простейшего химического элемента — водорода, ядро которого состоит из одного протона. В той же клетке таблицы помещается собрат водорода — дейтерий с ядром из двух «слипшихся» частиц — протона и нейтрона. Эти два внутриядерных «кирпичика», образующие двухчастный мультиплет нуклон, и лежат в основе всей таблицы. «Периодическую таблицу» элементарных частиц возглавляет мультиплет, состоящий из трех кварков. Их можно считать «самыми элементарными», потому что из них можно построить все другие частицы — иногда простым «сложением», как атомные ядра из протонов и нейтронов, а иногда как возбужденные состояния уже построенных частиц.

Теперь самое время сделать важную оговорку. Кварки все же не универсальный «строительный материал». Из них нельзя «слепить» все без исключения элементарные частицы, а только сильновзаимодействующие. Кроме этих частиц, есть еще такие; интенсивность взаимодействия которых, а точнее сказать — его вероятность, намного меньше. По крайней мере в тысячу раз. Это известный нам электрон и три мезона, которые обозначают греческими буквами «мю», «тау» и «эпсилон». Впрочем, правильнее

было бы назвать их не мезонами, а тяжелыми электронами, так как они обладают такими же свойствами, что и электрон, только весят больше и в отличие от электрона они радиоактивны, то есть подвержены распаду.

Физикам до сих пор неясно, зачем природе потребовалось несколько различающихся по массе «изданий» электрона.

К этим частицам следует добавить еще и нейтрино, которое можно считать электроном, потерявшим заряд и массу, так сказать, «выродившимся» электроном. В газетах и даже научных журналах, правда, сообщалось, что в точных экспериментах у нейтрино обнаружена маленькая масса, однако контрольные опыты этого пока не подтвердили (хотя и не опровергли). Работать с этой частицей необычайно трудно, так как она удивительно слабо взаимодействует с веществом. В этом отношении нейтрино рекордсмен. Поток нейтрино, почти не ослабевая, проходит не только сквозь Землю, но и сквозь гигантское по сравнению с нею Солнце.

Так вот, нейтрино и другие слабовзаимодействующие электроноподобные частицы нельзя построить из кварков. Они составляют совершенно особое, изолированное семейство. Это частицы-точки, их размеры по крайней мере в тысячу раз меньше, чем у сильновзаимодействующих частиц. Физики называют их лептонами, а все сильновзаимодействующие частицы — адронами.

Названия эти происходят от греческих слов «легкий» и «тяжелый». Они возникли, когда физики еще не знали частиц тау и эпсилон. Электрон и мю-мезон, не говоря уже о нейтрино, действительно легче всех сильновзаимодействующих частиц. Но как можно назвать легким недавно открытый эпсилон-мезон, который весит столько же, сколько ядро бора,— в десять раз больше протона! Названия «лептон» и «адрон» сделались уже чисто условными, фактически синонимами эпитетов «слабо-» и «сильновзаимодействующий». Но такова уж сила привычки — физикам трудно отказаться от прочно вошедших в язык терминов.

Итак, все окружающее нас вещество можно скомпоновать всего из трех «кирпичей»: электрона, кварка и антикварка. Кроме того, требуются еще три безмассовые частицы: глюон, фотон и гравитон, то есть кванты склеивающих полей — межкваркового, электромагнитного и гравитационного (поля тяготения). Кварк и антикварк нужны, чтобы с помощью глюонного «клея» слепить протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра, и связывающие их пи-мезоны; электроны — чтобы с помощью электромагнитных сил построить атомы и молекулы. Эти же силы объединяют различные вещества в жидкости и твердые тела. Гравитация же нужна для образования космических объектов — планет, звезд, галактик и самой Вселенной.

Рассуждая таким образом, мы чувствуем, что все остальные частицы просто лишние. А их сотни — мезоны различных типов, гипероны и так далее. Да и в самом деле, зачем они, если без них можно обойтись?

Однажды мой сосед, бухгалтер, стал налаживать свой телевизор. Экран вскоре засветился, а сосед с гордостью продемонстрировал мне кучку ненужных, по его словам, сопротивлений и конденсаторов. Правда, через несколько минут что-то заискрило, запахло горелым, а механик из радиомастерской потом удивлялся, как у нас вообще квартира не сгорела.

То же с частицами. У природы нет лишних деталей. Если назначение некоторых из них остается неясным, это свидетельствует лишь о низком уровне наших знаний, а отнюдь не о склонности природы к излишествам. И серьезные исследования обычно это подтверждают.

С тех пор как теоретики выдумали кварки, прошло 20 лет. И хотя эти удивительные частицы еще никому не удалось наблюдать в «живом виде», они помогли объяснить так много экспериментальных данных, что физику сейчас просто невозможно обойтись без них. По мнению большинства ученых, если кварков как реальных объектов и не существует в природе, то это само по себе было бы поразительной, величайшей загадкой.

Знаменитый французский математик Анри Пуанкаре как-то заметил, что всякой истине суждено одно мгновение торжества между бесконечностью, когда ее считают неверной, и бесконечностью, когда она становится тривиальной. И хотя к кваркам успели уже привыкнуть, до тривиальности здесь еще далеко. Кварки во многом еще таинственны, не похожи ни на что. Взять хотя бы их электрический заряд: ведь если протон, заряд которого равен единице, состоит из трех кварков, значит, у этих кварков заряды дробные? А до сих пор считалось непреложным законом — и об этом написано во всех учебниках,— что самый маленький электрический заряд у протона и электрона и равен он не дроби, а целому числу. Принимался он всегда за единицу — положительную и отрицательную. И вот теперь выясняется, что заряды у кварков еще меньше: они составляют одну и две трети заряда протона.

В древнегреческих мифах рассказывается о кентаврах— полулюдях-полулошадях. Таким вот кентавром среди элементарных частиц и выглядит кварк. У него не только дробный электрический заряд — он еще по своим свойствам должен одновременно считаться нуклоном, мезоном и гипероном! Всем сразу. С таким необычным, противоречивым объектом физики еще не встречались. Чтобы описать его сложные свойства, сначала предположили, что он имеет три состояния. Вскоре, однако, были открыты новые типы элементарных частиц — так называемые прелестные и очарованные частицы,— пришлось ввести в обиход еще два кирпичика-кварка. Теоретики убеждены, что должен существовать еще и шестой кварк. Недавно получены экспериментальные доказательства этой гипотезы. Может быть, список кварковых состояний этим не исчерпывается.