Юрий Чирков - Охота за кварками
Тот же нейтрон, например, испуская пи-мезон, превращается сильным взаимодействием в протон. Вот и получается, что но ряду свойств слабые взаимодействия в микромире можно считать белой вороной.
Лет тридцать физики пытаются свести четырехчастичные слабые взаимодействия к трехчастичному, например, электромагнитному. Для этого предположили, что слабое взаимодействие на деле идет в два этапа. Вначале нейтрон испускает протон и некоторую гипотетическую частицу (первое трехчастичное взаимодействие). А промежуточная частица уже затем распадается на электрон и антинейтрино (второе трехчастичпое взаимодействие).
Несмотря на упорнейшие поиски, этого посредника никак не могли обнаружить. Но идея унификации типов взаимодействий столь привлекательна, что на всех ускорителях вновь и вновь ставились эксперименты по его поиску.
Так вот, энергии в несколько ТэВ — это как раз та предельная область, для которой имеет смысл идея промежуточной частицы и ее поиски. И тут эксперименты на новом синхротроне в Протвине должны были бы стать решающими.
Итак, физики-экспериментаторы вновь вышли на тропу охотников. Теперь они хотят отловить так называемые промежуточные векторные бозоны — так позднее стали называть то, что никак не могли обнаружить. Эти гипотетические частицы (есть среди них заряженные W+ = и Wn~ бозоны, есть и нейтральный — Z°) переносят слабое взаимодействие так же, как, скажем, глюоны, переносчики цвета, — кварковое, сильное взаимодействие.
Почему изловить новый тип бозонов трудно? Потому что масса у них огромная — примерно под сотню ГэВ, почти в 100 раз больше, чем у протона. А для рождения частиц с большой массой как раз и нужны ускорители с достаточно высокой энергией частиц-снарядов.
Ныне выслеживание W- и Z-бозонов подошло, видно, к кульминации. То и дело (1983–1984 годы) в специальной и популярной печати появлялись статьи с броскими заголовками: «Погоня за бозонами», «W-бозон обнаружен!», «Как поймали бозон»… Физики-экспериментаторы вертятся, как кот вокруг горшка с гречневой кашей. Одна группа сообщила, что по косвенным признакам она-де обнаружила 4 события, спровоцированные W-бозонами. Другая спешно публикует отчет о поимке 6 бозонов.
Но главные события все же, вероятно, развернутся в 1985–1986 годах. К тому времени физики хотят ввести в действие ускорители на встречных пучках столь мощные, что они станут настоящими фабриками векторных бозонов. За сутки (по самым консервативным оценкам) будут рождаться несколько десятков тысяч (!) векторных бозонов.
Партоны: кто следующий!
Эксперименты на ускорителях имеют решающее значение и для кварковой гипотезы. К примеру, физики из Дубны обнаружили неизвестные частицы, поведение которых становится понятным, только если допустить, что они состоят из 5 кварков.
Еще пример. Давно известно: столкновение электрона с позитроном и их аннигиляция могут завершиться рождением пи-мезонов, пионов. Теперь полагают, что этот процесс идет через стадию рождения пар кварк антикварк. И каждая из этой пары частиц порождает несколько пионов, дает, как принято у физиков говорить, пионную струю.
Пленные струи регистрируются давно. Но как доказать, что они имею г кварковую природу? Что их породили именно кварки?
Пионы имеют целые заряды, кварки — дробные. А что, если просуммировать заряд всех пионов, общий заряд пионной струи? Ведь этот заряд (плюсы и минусы зарядов отдельных пионов взаимно сократятся) должен быть равен исходному заряду кварка, с которого и началась ппонная струя. А?
Эти измерения провели. Они дали замечательный результат: в среднем суммарный заряд пионной струи оказался равным плюс 2/3 и минус 1/3! Ну как тут не думать о реальности частиц с дробным зарядом, о реальности кварков?
Эксперименты на ускорителях делают кварковые списки все длиннее. Физики уже различают кварки u, d, s, b, с, t; кварки «верхний», «нижний», «странный», «красивый», «очарованный», «истинный». Все? Шеренга кварков оборвалась? Трудно сказать. Кое-что уже пророчит «демографический взрыв» и для кваркового семейства.
Сейчас кирпичиками микромира считаются кварки и лептоны. Говорят о кварк-лептонном уровне материи.
Но не слишком ли много набралось этих кирпичиков?
Кажется, что ситуация с элементарными частицами может повториться. Ведь подсчеты дают для числа всех возможных кварков и лептонов оглушительную цифру — 90! Много, очень много!
Физики начинают подозревать, что сами кварки и лептоны, по-видимому, также обладают внутренней структурой, состоят из более мелких (или крупных?) субчастиц.
Теоретикам тут все проще. Они уже успели напридумывать множество схем, в которых фигурируют те или иные пракварки. Одни авторы называют их «преонами», «сомонами», «хромонами» (хромоны обусловливают цвет кварков, они имеют красный, желтый, синий цвета, есть и бесцветный хромон). Другие теоретики толкуют о «римонах», «гиперглюонах», «гликах» и других перлах теормудрости.
Теоретикам легче! А вот экспериментаторы должны уговаривать администраторов, упрашивать, обивать пороги, клянчить, молить, требовать, выбивать, настаивать, давить — все это, чтобы показать, что они ну просто жить не могут без новых, еще более сильных ускорителей, которые позволили бы им залезть «в душу» уже не к протонам или нейтронам, а к кваркам и лептонам!
Пракварки, пралептоны — уж не химера ли все это?
Прежде, говорят критики, надо было бы убедиться в существовании самих кварков! Что же, тут появились обнадеживающие результаты.
В 1970 году ученые, ведущие исследования на Стэнфордском линейном ускорителе (США), направили пучок электронов, разогнанных до высоких скоростей, на протоны и нейтроны. И поразительно! У стэнфордских физиков повторилась история Э. Резерфорда. Тот расстреливал атом, его ядро. Теперь же, обстреливая электронами протон и нейтрон, ученые тоже открыли в них какие-то объекты! (Электроны разгонялись в ускорителе до энергии 20 ГэВ, они уже могли прощупать размеры в 10-16 сантиметра, то есть приблизительно тысячные доли от диаметра протона.)
Как и в опытах Э. Резерфорда, выяснилось: протон и нейтрон в большей части своего объема пусты! — электроны в основном проскакивали сквозь них, не меняя своей траектории. Однако изредка при соударении с протоном электроны натыкались на какую-то преграду.
Эти микрообъекты Р. Фейнман назвал «партонами».
(В отличие от загадочного слова «кварк» это название объяснить совсем просто: оно образовано от английского part — часть.)
Итак, появилось еще одно действующее лицо микромира — партоны. Не есть ли это все те же кварки, которые никак не могут обнаружить? Пока на этот вопрос определенно ответить трудно. Но, во всяком случае, кварковая модель вопреки предсказаниям скептиков получила бы еще одну мощную поддержку.
* * *Говорить о будущих возможностях, которые могут дать ускорители, трудно. Обычно самое важное и значительное в новой области исследований — так учит вся история науки — это неожиданное, непредвиденное.
И пожалуй, наиболее важный аргумент в пользу форсирования исследований на ускорителях в том, что именно в физике высоких энергий, как ни в какой другой науке, НЕОЖИДАННОЕ НАИБОЛЕЕ ВЕРОЯТНО.
11
Инженеры торопят физиков
Я часто задумывался над тем, какая польза человеку от чрезмерной образованности, если он не может употребить ее для собственной пользы.
О. ГенриАристотель, этот столп античной учености, в соответствии с духом и правилами своего времени считал кропотливую работу естествоиспытателя делом, достойным раба, а не свободного человека. В ту же эпоху рабовладельчества Архимед писал: «Низко все, что имеет практическое значение».
В нате время отношение к науке стало иным. Вот что, к примеру, писал Ф. Жолио-Кюри: «Ученые не вправе считать себя кучкой избранных, чуждых задачам практической жизни. Будучи членами великой семьи трудящихся, они должны быть озабочены тем, как используются их открытия».
Да, ныне фигура ученого, его упорный (вот бы удивился Аристотель!) труд окружены всеобщим вниманием и уважением. Более того, от исследователей (мнение Архимеда?!) ждут именно практических результатов.
И ученые, особенно физики, дают их.
Только один пример. На заре своего развития ядерная физика, установив, казалось бы, второстепенный с теоретической точки зрения факт, что при делении ядра урана испускается более двух нейтронов, породила всю современную ядерную энергетику, все АЭС, которые к 2000 году будут в нашей стране давать примерно треть всей добываемой энергии.
Достижения физиков, их методы, идеи все решительнее вторгаются в пашу повседневную жизнь. Причем часто самым неожиданным образом.
