Текст книги "Бег за бесконечностью"
Автор книги: Александр Потупа
сообщить о нарушении
Текущая страница: 10 (всего у книги 16 страниц)
Как и герои древних преданий, призраки микромира имели реальных предков и довольно любопытную родословную. История появления этих призраков как раз и связана с удивительным сочетанием щедрости природы и скупости физиков.
Скупость эта проявилась довольно рано – еще тогда, когда адронный мир, казалось бы, строился всего из двух типов частиц – нуклонов и пи-мезонов. О ка-мезонах и гиперонах существовали лишь предварительные данные, а до резонансного потопа было совсем далеко. Но даже два типа адронов показались физикам излишней роскошью для таблицы элементарных частиц. Летом 1949 года Э. Ферми и его девятнадцатилетний аспирант Ч. Янг написали статью, которая прямо так и называлась: «Являются ли мезоны элементарными частицами?»
Авторы начали с естественного предположения о том, что в природе существуют антинуклоны (кстати, антипротон и антинейтрон будут открыты только через несколько лет после появления их статьи). Далее они высказали гипотезу, что пи-мезон представляет собой просто связанное состояние нуклона и антинуклона, а не особую элементарную частицу, как это думал X. Юкава, и попытались оценить основные свойства этого составного ядерного кванта. Правила составления наблюдаемых пи-мезонов можно проследить, пользуясь простой зарядовой арифметикой: положительно заряженный пи-мезон должен состоять из протона и антинейтрона, отрицательно заряженный – из нейтрона и антипротона, и нейтральный пи-мезон – из смеси пар протон – антипротон и нейтрон – антинейтрон. Во всех случаях у мезонов оказываются правильные значения электрических зарядов, а их барионные заряды равны нулю.
Модель Ферми – Янга была интересна, но в некоторых отношениях непоследовательна. Трудно было, например, объяснить природу сил, склеивающих тяжелые частицы – нуклон и антинуклон – в сравнительно легкую – пи-мезон. Поэтому многие физики сначала отнеслись к этой модели без особого энтузиазма. Однако заложенные в ней идеи – прежде всего стремление обходиться предельно малым числом действительно элементарных частиц – были исключительно полезны, и через несколько лет эти идеи стали интенсивно развиваться.
После того как «странные» частицы – ка-мезоны и гипероны – окончательно утвердились в качестве особого класса адронов, стало ясно, что одним нуклоном при построении составной модели частиц не обойтись. Ведь нуклон представлял собой образ двух барионов, не имеющих «странности» (протона и нейтрона), а из них никак нельзя было построить, скажем, «странный» ка-мезон. Поэтому физикам пришлось привлекать третью фундаментальную частицу – один из «странных» мезонов или гиперонов. Именно по этому пути и пошли создатели первых универсальных моделей составных адронов советский теоретик академик М. Марков и японский ученый С. Саката.
Несколько более наглядная модель С. Сакаты представляет собой прямое развитие идей Э. Ферми и Ч. Янга. В качестве трех фундаментальных частиц он выбрал протон, нейтрон и лямбда-гиперон и показал, что из них можно в принципе выстроить все остальные частицы адронного семейства. Пи-мезоны строились в этой схеме по тем же правилам, что и в модели Ферми – Янга, а для «странных» мезонов и гиперонов использовались чуть более сложные правила той же зарядовой арифметики (с учетом «странности»). Например, ка-мезон с отрицательным электрическим зарядом и «странностью» минус единица можно построить из лямбда-гиперона (электрический заряд – ноль, «странность» минус единица) и антипротона (электрический заряд – минус единица, «странность» – ноль), а отрицательно заряженный кси-минус-гиперон со «странностью», равной минус два, – из двух лямбда-гиперонов и одного антипротона.
Подобно тому, как протон и нейтрон представляли собой различные состояния нуклона, 3 частицы: протон, нейтрон и лямбда-гиперон – должны были представлять 3 различных состояния некоторой фундаментальной частицы сакатона. В воображаемом мире, где действует только предельно сильное взаимодействие, существовал бы единственный вид фундаментальных адронов сакатоны. При включении умеренно сильных взаимодействий наблюдалось бы уже два типа частиц – нуклон и лямбда-гиперон, то есть тот же сакатон, как бы расщепленный на два наблюдаемых состояния. И, наконец, при включении электромагнитных взаимодействий, когда в микромир допускались фотоны, способные реагировать на электрические заряды, нуклон, в свою очередь, расщеплялся, и появлялись все 3 известных легчайших бариона – протон, нейтрон и лямбда-гиперон.
Гипотеза о фундаментальной роли сакатона оказалась весьма привлекательной и чуть ли не десять лет владела умами исследователей микромира. Еще бы! Ведь, имея перед собой таблицу элементарных частиц, можно было буквально за несколько минут убедиться, что все адроны соответствуют той или иной комбинации из 3 легчайших барионов.
Следовательно, таблица истинно элементарных частиц становилась значительно короче: наряду с фотоном и лептонами она должна была включать только три адрона – протон, нейтрон и лямбда-гиперон, да и те оказывались на самом деле лишь тремя возможными состояниями одного адрона – сакатона…
Остальные адроны являлись составными частицами – вроде атомных ядер.
Но, конечно, физическое понимание такой составной модели не может быть ограничено формальным подбором правильных зарядовых комбинаций. Несмотря на многие интересные попытки улучшения, модель фундаментального сакатона так и не справилась с теми трудностями, которые она, можно сказать, унаследовала от своей предшественницы – модели Ферми – Янга.
Во-первых, аналогия между составными адронами и атомными ядрами не столь уж проста. Как вы помните, протоны и нейтроны, будучи связаны в атомное ядро, теряют на эту связь лишь малую долю своей массы – менее одного процента. Совсем другая ситуация наблюдается в том случае, когда мы пытаемся описать, скажем, пи-ноль-мезон как связанное состояние протона и антипротона. Ведь величина энергии связи протона с антипротоном в 13 раз превышает массу наблюдаемого связанного состояния: пи-ноль-мезона! Напрашивается вывод, что, во-первых, внутренняя структура составных адронов должна иметь какие-то качественные отличия от тех структур, которые известны нам из физики атомов и атомных ядер.
Во-вторых, по-прежнему нуждалась в объяснении природа сил, склеивающих сакатоны в составные мезоны и барионы.
В-третьих, было неясно, чем же качественно выделены именно протон, нейтрон и лямбда-гиперон среди всех других барионов и мезонов. Почему и в каком смысле именно они должны быть более элементарными, чем другие адроны? Ведь массы протона, нейтрона и лямбда-гиперона очень близки по величине к массам сигма– и кси-гиперонов. Тем более что, как вы помните, при создании унитарной классификации все эти нуклоны и гипероны очень естественно вписались в одну из «восьмерок», то есть должны были представлять собой просто 8 различных состояний какой-то одной частицы.
И вообще, согласно схеме унитарной классификации ни один из наблюдаемых мезонов или барионов ничем особым не выделен, ни один из них не может претендовать на роль более элементарной частицы, чем остальные адроны.
Вот именно это последнее обстоятельство и оказалось непреодолимой трудностью для модели фундаментального сакатона.
Сакатон вынужден был уйти из мира реальных частиц и поселиться в красивом замке унитарной симметрии на правах призрака, изменив имя и даже некоторые свойства.
В 1964 году М. Гелл-Манн и молодой теоретик из ЦЕРНа Дж. Цвейг обратили внимание на то, что существует отличная возможность описать все наблюдаемые адроны как определенные составные конструкции из некоторых новых частиц, которые тоже укладываются в схему унитарной классификации, но обладают весьма оригинальными свойствами, резко выделяющими их среди собратьев по микромиру. Речь шла как раз о тех объектах, которые должны были входить в унитарные наборы из трех частиц.
С легкой руки М. Гелл-Манна новые гипотетические частицы стали называться кварками. Необычное слово вызвало, конечно, удивление, но прижилось в физике чрезвычайно быстро. М. Гелл-Манн отыскал его в фантастическом романе «Поминки по Финнегану» – последнем произведении крупнейшего ирландского писателя Дж. Джойса. В этом романе некий таинственный голос вещает о «трех кварках», что звучит в контексте непонятно, но угрожающе. С другой стороны, в немецком языке слово «кварк» имеет совершенно безобидный смысл – «творог». Вот и пойми, что предрекается: то ли злые духи, то ли вкусные творожники…
Мне кажется, что кварк завоевал симпатии физиков по довольно простой причине, благодаря явному созвучию с привычным словом квант – чувствуется, что кварк должен быть осколком чего-то, и не просто частью, а чем-то с трудом отщепленным, скорее всего остроугольным…
Кварк вошел в физику полноправным наследником сакатона. В отличие от последнего он не должен был соответствовать каким-либо уже известным адронам. Однако подобно тому, как сакатон был единым представлением трех частиц – протона, нейтрона и лямбда-гиперона, кварк по праву наследования стал представлять три частицы, которые так и были названы по аналогии пэ-кварк (р), эн-кварк, (n) и лямбда-кварк (л). Необычные свойства кварков выражались прежде всего в том, что их барионные и электрические заряды имели дробные значения в единицах зарядов протона или любой другой известной элементарной частицы. В частности, все барионные заряды кварков должны были составлять 1/3 заряда известных барионов. Пэ-кварк должен был, кроме того, иметь положительный электрический заряд, равный 2/3 заряда протона, а остальные два – эн– и лямбда-кварки – должны были иметь отрицательные заряды по (1/3). И наконец, лямбда-кварк еще обладал «странностью», равной минус единице (-1). При внимательном взгляде на кварки нетрудно заметить, что они действительно напоминают компоненты сакатона – протон, нейтрон и лямбда-гиперон – с той разницей, что барионные заряды кварков меньше на 2/з, а электрические на 1/3, чем у этих барионов.
Предсказание дробных зарядов у кварков показалось физикам весьма необычным, но оно, в сущности, не нарушало никаких фундаментальных законов природы. То, что, например, электрические заряды всех наблюдаемых частиц либо равны по абсолютной величине заряду электрона, либо больше его в целое число раз, – просто экспериментальный факт, смысл которого пока непонятен. И если обнаружились бы более мелкие порции электричества, то это стало бы просто нарушением традиции, а не каких-то определенных законов.
Гораздо более удивительным оказалось другое обстоятельство. Кварковая модель стала превосходным средством для наведения порядка в микромире и испытала большой успех в самых различных приложениях, но вот сами кварки, несмотря на чрезвычайно активные поиски, так и не удалось обнаружить.
Посудите сами. Любой известный барион без труда строится в виде комбинации из трех кварков. Скажем, протон должен состоять из двух пэ-кварков и одного эн-кварка, а отрицательно заряженный кси-минус-гиперон из эн-кварка и двух лямбда-кварков. Пользуясь все той же простой зарядовой арифметикой, можно составить и любой мезон – он непременно должен содержать какой-либо кварк и антикварк, чтобы суммарный барионный заряд этой комбинации был равен нулю. Например, положительно заряженный пи-мезон состоит из пэ-кварка и эн-антикварка, а отрицательно заряженный ка-мезон из лямбда-кварка и пэ-антикварка. В общем, положив перед собой таблицу известных адронов и вспомнив заряды различных кварков, вы могли бы очень быстро установить кварковый состав всех частиц и античастиц.
Но успехи кварковой модели не ограничивались такой удачной классификацией адронов. Модель давала и вполне определенные предсказания о закономерностях, которые должны наблюдаться в процессах сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий при рассеянии и распадах адронов. Большинство таких предсказаний удивительно хорошо подтверждается экспериментальными данными.
Не менее важно и другое – именно кварки позволяли верить в глубокий смысл обнаруженных законов симметрии микромира. Можно сказать, что гипотетические частицы наполнили жизнью красивый замок унитарных симметрии; без кварков он казался бы пустынной, наскоро сколоченной времянкой. Но кварки до сих пор так и остались призраками! Они приносят большую пользу, о них много сказано и написано, наконец, большинство физиков верят в их существование. Но их никто и никогда так и не наблюдал. Между тем история ловли кварков ничуть не уступает, даже, пожалуй, превосходит по драматизму охоту за космическими лучами.
Кварки искали не только на земле, под землей или под водой. Чтобы обнаружить какой-нибудь «зазевавшийся» призрак, перетирались в порошок целые метеориты. Их пытались зарегистрировать в самых первых образцах лунного грунта, с великими трудами и затратами доставленных на нашу планету.
Дело в том, что по крайней мере один из кварков должен был оказаться стабильным, и в силу закона сохранения электрического заряда его дробный заряд можно было бы обнаружить даже после всевозможных взаимодействий этого кварка с обычными частицами вещества. Именно поэтому физики уделяли большое внимание поиску кварков с дробными зарядами и в макроскопических кусках вещества.
Более того, физики обратились к анализу истории наблюдаемой вселенной и к исследованию строения звезд. Уже в 1965 году – всего через год после появления гипотезы кварков – советские теоретики Я. Зельдович, Л. Окунь и С. Пикельнер опубликовали большую статью под названием «Кварки: астрофизический и физико-химический аспекты». В этой работе были даны оценки допустимой плотности реальных кварков в связи с самыми различными возможностями их существования. Вывод был не слишком утешителен; кварков должно быть в 109-1018 раз меньше, чем нуклонов. Последующие теоретические и экспериментальные работы в основном подтвердили это заключение. Кварки, даже если они и существуют в виде отдельных частиц, – редчайшие «звери». Число нуклонов должно, по крайней мере, в тысячи миллиардов раз превышать число кварков.
И уж конечно, трудно перечислить все эксперименты по поиску кварков в потоках космических лучей и среди миллионов событий, полученных на крупнейших ускорителях мира. В программах «Серпухова» и «Батавии» кварковый эксперимент стоял на первом месте – еще только «прогревая» синхротроны для долгосрочной работы, физики пытались отыскать в регистрирующих устройствах следы дробно-заряженных частиц. Упорное нежелание кварков предстать пред нетерпеливыми взорами экспериментаторов стало вызывать тревожные размышления.
Как бы то ни было, а гипотетическиз частицы оказались предельно экономичным средством для «сборки» любого известного адрона. Поэтому сначала даже некоторые существенные неясности в отношении природы сил, связывающих кварки, не могли поколебать безграничной веры большинства физиков в их реальность. В пользу сторонников реальных кварков свидетельствовали и известные нам исторические аналогии.
Вспомните, заявляли они, сколько добрых дел успел совершить протон задолго до своего настоящего открытия. А за 15 лет до экспериментальной регистрации пи-мезона была правильно описана структура атомных ядер, причем ядерный квант до сих пор не раскрывает многих своих тайн. А сколько лет отделяет тюбингенское послание В. Паули от занесения в таблицу элементарных частиц «короля конспирации» нейтрино? А разве не пытались некоторые физики всего за три-четыре года до открытия антипротона придумать уродливую антивселенную с одними позитронами? Да что уж там маленькие сроки, каких-то 15–20 лет, продолжали они, атомистическая гипотеза дожидалась доказательств два с половиной тысячелетия! А ведь все успехи молекулярно-кинетической теории теплоты в прошлом веке связаны именно с атомистическими представлениями. Теперь же, изучив атомно-молекулярный, ядерный и «элементарно-частичный» уровни строения вещества, мы стоим на пороге нового, еще более глубокого уровня, и стоит ли предаваться сомнениям относительно реальности кварков, которые вот-вот окажутся превосходным примером предоткрытия?
Но тут-то и стали выясняться любопытные обстоятельства, показавшие, что простые исторические параллели проводить пока еще рано.
Во-первых, оказалось, что кварковую модель можно, а в некоторых случаях и необходимо, расширять и дополнять.
Как вы помните, в процессе развития теории симметрии физики столкнулись с возможностью введения нового, почти сохраняющегося квантового числа «очарования». С точки зрения кварковой модели это связано с существованием четвертого «очарованного» кварка (или цэ-кварка (с), как его часто называют). Цэ-кварк может иметь тот же электрический заряд, что и пэ-кварк, но, кроме того, ему приписывается значение «очарованности», равное единице. Интересно, что в модели с четырьмя кварками можно вообще избежать введения дробных зарядов – все кварки смогут соблюсти традицию микромира.
Реальные «очарованные» частицы – так называемые дэ-мезоны – были обнаружены совсем недавно, в мае 1976 года, группой Дж. Гольдхабера. Эти новые мезоны должны содержать наряду с обычным кварком и «очарованный» цэ-кварк. Интересно, что четвертый кварк еще до открытия дэ-мезонов выполнял в теории важные обязанности. Дело в том, что в теории слабых взаимодействий адронов, ограниченной представлением о трех фундаментальных кварках, предсказывалась сравнительно большая вероятность распада нейтрального ка-мезона на положительный и отрицательный мюоны. Между тем этот распад вообще не был обнаружен экспериментально. Это оказалось очень неприятным сюрпризом для современной теории, и длительное время было неясно, откуда возникает запрет на такой распад. Высказывались даже гипотезы о нарушении тех или иных фундаментальных принципов физики. Однако выход нашелся на довольно простом пути – как раз учет четвертого «очарованного» кварка в структуре адронов позволит теоретикам объяснить отсутствие ненаблюдавшегося распада.
В этом плане физики часто говорят, что четвертый кварк проник в число фундаментальных составляющих адрона «по запросу» теории слабых взаимодействий. Зато другое, более крупное расширение таблицы кварков произошло из-за одной неприятной особенности в объяснении структуры адронов, которая возникла буквально вместе с трехкварковой моделью.
Некоторые адроны должны были составляться из набора одинаковых кварков, и хотя бы два из них вынуждены были находиться вдвоем или втроем в одинаковом состоянии.
Попытки найти выход из столь трудного положения начались сразу же после появления гипотезы кварков и привели к модели с утроенным кварковым миром, сформулированной в 1965 году академиком Н. Боголюбовым и его учениками и независимо от них американскими теоретиками М. Ханом и И. Намбу Предполагалось, что существует три типа кварков, различающихся по какому-то признаку. Впоследствии этот признак назвали «цветом» и условились «раскрашивать» кварки одной из трех красок – желтой, синей или красной. Обычные адроны считались «белыми» частицами, что, естественно, имеет место при равномерном смешении трех указанных цветов (проверьте сами, если увлекаетесь рисованием). Теперь, например, тот же омега-гиперон включает уже три разноцветных лямбда-кварка, и никаких неприятностей с применением принципа Паули не возникает – ведь речь идет о трех различных частицах. В общем, как вы видите, кварковая модель находится в процессе развития и существуют различные интересные варианты оригинальной реализации призраков в будущих экспериментах.
Но еще любопытней оказалась другая точка зрения. Многие физики, подавленные неудачами в поиске кварков с дробными или целыми зарядами, стали утверждать, что призраки никогда и не объявятся. Во всяком случае, их нельзя будет зарегистрировать как обычные частицы по следам и даже косвенными методами, как в случае резонансов. Они могут существовать только внутри адрона, навеки запертые в своей темнице гигантскими силами, которые не убывают, а возрастают с увеличением расстояния. Так что никакими могучими воздействиями кварк из адрона добыть невозможно, и тогда уж действительно стоит говорить о «бедненьких привидениях».
Последующее развитие эксперимента и теории превратили эти первоначальные подозрения в весьма правдоподобную гипотезу. Судя по всему, следующий уровень строения вещества не желал повторять пройденное…
Итак, настал момент, когда необходимо подвести некоторые итоги. Мы с вами стали свидетелями различных периодов в развитии физики элементарных частиц.
Казалось бы, не так уж далеки те времена, когда было открыто очень мало частиц, скажем, только три – электрон, фотон и протон, – и естественно, что современники рассматривали их как истинно элементарные «кирпичики мироздания». Когда количество известных частиц увеличилось едва ли не в 100 раз, физикам стало ясно, что «кирпичиков» слишком много, чтобы каждый из них мог претендовать на такую почетную роль. Прежде всего свое сложное устройство продемонстрировали адроны – именно они стали первыми кандидатами на роль составных «элементарных» частиц и, по сути дела, утратили право называться элементарными.
Кварковая модель подытожила в определенном смысле наши представления о возможной составной природе адронов. Их классификация выглядит на сегодняшний день столь убедительно, что большинство физиков уверены в правильности гипотезы о кварковом строении. Все сильней становится подозрение – скорее уже уверенность! – что кварки должны сыграть примерно такую же роль в понимании таблицы элементарных частиц, как атомы в понимании периодической системы элементов Д. Менделеева
Потому многие физики склонны считать, что уже существует принципиальная схема для построения таблицы истинно элементарных частиц, где не найдется места ни для одного из экспериментально открытых на сегодняшний день адронов! Что же должно включаться в эту гипотетическую таблицу?
В ней по-прежнему будут обитать фотон и четыре типа лептонов. Впрочем, эксперимент указывает и на возможное образование нового типа лептонов тяжелого эл-лептона, масса которого значительно больше массы мюона. К ним присоединятся своеобразные субадроны: 12 кварков, а для обеспечения связи между кварками могут вводиться особые частицы глюоны (от английского glue клей).
Стоит еще раз напомнить, что кварки, о которых здесь сказано, являются лишь различными состояниями одной частицы, которые существуют в нашем реальном мире, где включены все типы взаимодействий. То же самое относится и к глюонам – на самом деле можно говорить об одном глюоне, имея в виду его расщепление на 8 различных состояний в нашем реальном мире.
К этим частицам впоследствии может присоединиться еще один гипотетический тип частиц – так называемые дубль-вз-мезоны и зэт-ноль-мезоны – особая разновидность квантов, обеспечивающих слабые взаимодействия элементарных частиц подобно тому, как фотоны обеспечивают электромагнитные взаимодействия.
К обсуждению гипотетических переносчиков взаимодействия глюонов, дубль-вэ– и зэт-мезонов мы еще возвратимся в следующей главе. Здесь же для нас важно почувствовать общую современную тенденцию к сокращению числа истинно элементарных частиц.
В таком проекте адронам отводится роль сложных составных объектов, все свойства которых можно выводить из их кварковой структуры, подобно тому, как все свойства атомов можно вывести, зная законы их строения, из ядер и электронов. Казалось бы, все выглядит просто и пригоже – стоит только отыскать кварки и другие, пока гипотетические, частицы, и мы сможем получить экспериментально обоснованную новую картину микромира.
Но не будем забывать, что перед нами только проект, причем проект, основанный на довольно прямой аналогии с устройством уже известного атомного уровня строения вещества. А ведь история не очень любит «возвращаться на круги своя». Не все так уж просто с применением аналогий при движении в глубь вещества. Далеко не все так просто…
Нет, например, никакой уверенности, что мы действительно сумеем извлечь кварки из адронов в виде каких-то отдельно существующих частиц. Не исключено и такое на первый взгляд парадоксальное положение дел, что вопрос о кварках вне адронов вообще лишен смысла. Что же касается поведения кварков и их свойств, когда они находятся внутри адрона, то отнюдь не ясно, можно ли говорить вообще о движении каких-то объектов типа обычных элементарных частиц в столь плотном веществе. Ведь средняя плотность адрона примерно в 1014 раз превышает плотность обычной воды, и ни одно из известных науке веществ не обладает даже близкой плотностью…
Как должны вести себя силы, действующие между кварками? Пока на этот вопрос мы можем отвечать, пользуясь лишь косвенными данными, то есть непосредственно изучая только силы взаимодействия между адронами или между адронами и лептонами или адронами и фотоном. Если реальные кварки не будут обнаружены, то у нас так никогда и не появится иного способа исследования межкварковых сил.
