Кварки, протоны, Вселенная - Владилен Барашенков

Хороша «самая простая», «суперэлементарная» частица, не правда ли? Целое семейство из шести братьев-компонентов, а то и больше!

Но и этого мало. Когда мы строим частицы из кварков, нельзя размещать их внутри частиц произвольно. Для них, как для зрителей в театре, отведены вполне определенные, строго пронумерованные «квантовые места». И вот выяснилось, что внутри некоторых частиц билет с одним и тем же номером получают сразу несколько кварков. Чтобы восстановить порядок, физикам пришлось допустить, что кресел в зале вполне достаточно, но они различаются не только своими номерами, а и цветом: под одним и тем же номером значатся кресла трех цветов — синие, красные и зеленые. Соответственно и билеты пришлось покрасить в три цвета, то есть допустить, что каждое из шести состояний кварка делится еще на три. Так возникла выдвинутая советскими и японскими физиками гипотеза о цветных кварках.

Конечно, никакого цвета в обычном понимании этого слова у кварков нет. Ведь цвет — это свойство тела, зависящее от того, какую часть спектра падающего на него света тело поглощает, а какую рассеивает.

Кварк только рассеивает свет, поглощать его он не может, так как для этого он должен был бы быть не простейшим кирпичиком, а системой со сложной структурой (с электронными уровнями), на возбуждение которой и пошла бы энергия поглощенного света. «Цвет кварка» — это только удобный термин, такой же, как «странность», «очарование» или «прелесть», которыми физики обозначают определенные свойства частиц. В последнее время стало общепринятым говорить еще и об «аромате» кварка — так называют все его параметры, не зависящие от «цвета». Физики предпочитают пользоваться необычными названиями — они легко запоминаются! Хотя, спору нет, выражения вроде «аромат прелестного кварка» или «опыт по измерению очарования» звучат для непривычного уха более чем странно.

Давайте подсчитаем теперь, сколько же осталось самых элементарных», не сводимых друг к другу частиц.

Прежде всего это кварк и антикварк плюс связывающая их частица глюон. Ее название происходит от английского слова glue — клей. Глюонное поле связывает кварки и антикварки, подобно тому, как электромагнитное поле и его кванты — фотоны — «привязывают» электроны к ядру в атоме. Хотя глюоны тоже еще никогда не наблюдались в «живом виде», без них нельзя построить адронов. В список «самых элементарных» придется также включить упомянутый фотон и опять же не наблюдавшуюся еще частицу поля тяготения — гравитон. Еще семь лептонов — электрон, нейтрино трех типов, мю- и тау-мезоны и соответствующие антилептоны.

Итак, вместо нескольких сотен — всего лишь два десятка основных элементов. При этом почти треть их еще экспериментально не открыта. Однако без них не удается построить последовательной теории — она рассыпается. Но, с другой стороны, и два десятка, а точнее 19 «самых элементарных»,— это многовато. И почему, собственно, 19, а не 14 или, скажем, не 27? Невольно возникает подозрение, что эти «первоэлементы» не все независимы и число их, наверное, можно еще уменьшить.

Правда, на первый взгляд это просто невозможно — уж очень сильно различаются по своим свойствам эти девятнадцать. Например, электрон — это частица, которая может иметь любую скорость, быть и быстрой, и медленной, а вот фотон или нейтрино всегда летят с скоростью света. Массы частиц и силы, с которыми он взаимодействуют, различаются в сотни и тысячи раз; Казалось бы, ничего общего.

И тем не менее некоторые из этих частиц могут оказаться родными братьями и сестрами. Хотя это пока — чистая теория, как шутят физики,— из области фантастики и, может быть, даже не совсем научной.

Несколько лет назад известный пакистанский физик Абдус Салам (он возглавляет Международный институт Теоретической физики в Триесте), и английский физик Джордж Пати выдвинули смелую гипотезу о том, что лептоны — не самостоятельные частицы, а всего лишь четвертое цветное состояние кварка. Их не смутило, что свойства частиц, объединенных ими в кварк, различаются столь сильно. Они полагали, что это всего-навсего результат влияния окружающего фона. Ведь согласно современным представлениям каждая частица играет роль как бы затравочного центра, вокруг которого образуется облако спонтанно рождающихся и быстро исчезающих частиц. Это облако экранирует частицу изменяет ее свойства. Такие заэкранированные, закутанные в облако частицы с измененными или, как говорят эффективными свойствами, мы всегда и наблюдаем в опытах. Невозможно ведь изолировать частицу от взаимодействия со средой, даже если это глубокий вакуум. Ничто на свете не существует само по себе, и «голый» квант в том числе.

Теперь мы подходим к самому трудному. Мы видим, что каждая микрочастица — это сложная корпускулярно-волновая структура. Ее плотность и состав зависят от заряда и других характеристик. Поэтому у одного состояния частицы одна масса, у другого — другая. Возникает разница и в силе взаимодействия. Состояния частицы «расщепляются» по массе и взаимодействию. Одни состояния становятся очень легкими, другие — тяжелыми, и исходное взаимодействие «голой» (абстракция!) частицы распадается на три — на слабое, электромагнитное и сильное.

Можно сказать, что в своих различных состояниях квант универсального «склеивающего» поля носит «шубы» различного покроя. В одних случаях «шуба» очень тяжелая, и тогда облачившийся в нее квант переносит взаимодействие лишь на ультрамалые расстояния. Далеко от центра частицы такие кванты почти не встречаются, и связанное с ними взаимодействие проявляется там очень слабо. В других случаях кванты набрасывают па себя легкую «шубу», и тогда они способны участвовать во взаимодействии на больших расстояниях.

Влияние фона спонтанно рождающихся частиц может быть настолько сильным, что на энергию связи и различные компенсирующие эффекты уходит целиком вся масса «голого» кванта. Надев «шубу», он становится «бестелесной» частицей с нулевой массой. Так возникает фотон и связанные с ним дальнодействующие электромагнитные силы.

Как не вспомнить здесь Корнея Чуковского, у которого «волки от испуга скушали друг друга», или известную шутку о том, как змея сама себя проглотила!

Почему так происходит — это сложный вопрос. Даже для специалистов-теоретиков здесь еще не все ясно. Можно только сказать, что в теории Салама и Пати для этого требуется, чтобы экранирующие облака кварков содержали шесть частиц, каждая из которых, в свою очередь, окутана облаком виртуальных частиц, состоящих из тех же частиц и... пар кварков и антикварков.

И опять, только на более глубоком «ультраэлементарном» уровне, мы приходим к самосогласованной, «зашнурованной» системе частиц, когда любая из них содержит в себе все сорта частиц, в том числе и себя самое. Складывается впечатление, что в этом проявляется какая-то общая закономерность, свойственная микромиру.

Что касается шести частиц, из которых сшита «шуба» кварка, то три из них — многокомпонентные глюоны. Из них «склеен» и фотон. В теории Салама и Пати фотон — не самостоятельная частица, а сложное «наложение», суперпозиция нескольких нейтральных состояний глюонов. Весьма неожиданный вывод! Три другие частицы в «шубе» кварка называются хиггсонами — по имени английского физика Хиггса, который первым начал разрабатывать теорию таких частиц. Это уж совсем необычные объекты даже для притерпевшихся ко всему теоретиков. От хиггсонов зависят свойства вакуума.

Оказывается, и вакуум, то есть, по нашим традиционным представлениям, ничто, пустота, может пребывать и различных состояниях, подобно тому как, скажем, углерод может быть в состоянии графита или в состоянии алмаза. Но как же это, ведь вакуум — это «чистое пространство»? Обстоятельный ответ на этот вопрос увел бы нас далеко в квантовую теорию поля — один из самых сложных разделов современной физики. Сейчас нам важно просто знать, что между состояниями вакуума нет переходов; во всяком случае, мы не знаем, как они выглядят, но знаем, что любое из этих состояний может служить основой Вселенной. А то или иное состояние вакуума как раз и определяют поля частиц Хиггса.

Мы не знаем пока ни массы, ни других свойств этих частиц — все это зависит от варианта пока еще не завершенной и развивающейся теории. Даже число хиггсонов изменяется от одного варианта теории к другому. Что требуется обязательно, так это то, чтобы эти частицы могли взаимодействовать между собой напрямую — без посредничества частиц других типов. Такое «самодействие» и образует основной «уровень мира»—его вакуум. Физикам это напоминает прозрачный эфемерный студень неодинаковой густоты.

Может быть, поля Хиггса являются всего лишь приблизительным, модельным описанием на слишком привычном для нас языке каких-то глубоких и еще не понятых нами свойств природы? Ведь все попытки найти реальные частицы Хиггса пока безрезультатны. Впрочем, здесь нам стоит остановиться, иначе мы рискуем запутаться в дебрях теоретических схем и гипотез тем более что они, прямо скажем, еще весьма неопределенны и неоднозначны.