Текст книги "Вселенная в электроне"

Автор книги: Владилен Барашенков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 18 страниц)

Погоня за невидимками

Поиск свободных кварков стал одной из основных забот физиков. Не выяснив, в чем тут дело, нельзя было двигаться дальше, и на решение этой задачи была брошена вся мощь современной экспериментальной физики.

Самый характерный признак кварка – его дробный заряд, меньший заряда электрона. Вот за этот признак и ухватились охотники за невидимками.

Когда заряженная частица проходит сквозь вещество, она своим электрическим полем срывает часть электронов с оболочек атомов – ионизует их. Вдоль пути частицы выстраивается цепочка таких «ободранных» атомов. Физики называют их ионами. Чем больше заряд частицы, тем большее число ионов отмечает ее путь. Поэтому ионизационные следы кварков в веществе должны заметно отличаться от следов других частиц. Они менее плотные. Расчет показывает, что кварк с зарядом 2/3 образует в два с половиной раза меньше ионов, чем частица, обладающая единичным зарядом. А кварк с зарядом 1/3 – почти в десять раз меньше. Вот по таким «рыхлым», разреженным следам и можно надеяться отыскать кварк среди других элементарных частиц.

Плотность следа зависит также от массы частицы и ее скорости. Быстрая, легкая частица, подобно глиссеру на воде, должна оставлять лишь слабый, едва видимый след, а медленная и тяжелая, как ледокол во льдах, будет образовывать широкую полосу повреждений. Однако физики давно уже научились измерять массы и скорости частиц и в «чистом виде» выделять только ту часть ионизации, которая связана с различием зарядов частиц.

Конечно, сама по себе цепочка ионов вдоль пути частицы остается невидимой, подобно тому как невидимо изображение на непроявленной фотопленке. Чтобы увидеть ионизационные следы частиц, нужны особые условия или специальная обработка материала. Для этого можно воспользоваться, например, камерой Вильсона в магнитном поле, с помощью которой полвека назад был открыт позитрон. Цепочка заряженных ионов выполняет в ней роль центров конденсации, вокруг которых «проявляется» след частицы в виде полоски тумана. Магнитное поле изгибает ее. Радиус изгиба зависит от величины электрического заряда частицы, а направление изгиба – от его знака.

Вместо пересыщенного пара, который применяется в камере Вильсона, можно использовать перегретую жидкость с температурой немного выше точки кипения. Она мгновенно вскипает вдоль траектории ионизующей частицы и отмечает ее гирляндой мелких пузырьков – как в стакане с нарзаном. Чем сильнее заряжена частица, тем больше образуется таких пузырьков.

След частицы можно сделать видимым также с помощью фотопластинок, подобных тем, что применяются в обычном фотоателье, только фотослой у них нужно приготовить по специальному рецепту – он должен быть чрезвычайно высокочувствительным, чтобы реагировать даже на очень слабые ионизационные повреждения. Химически ионы значительно более активны, чем неповрежденные атомы, поэтому проявитель сильнее всего действует на те участки фотослоя, которые повреждены частицами (или светом), и в результате получается отчетливая фотография следов.

Есть и другие способы «проявить» ионизационные следы частиц. Однако ни в одном из таких экспериментов дробных электрических зарядов обнаружить не удалось. Их искали среди потоков частиц, рождающихся в ядерных реакциях на ускорителях, искали в космических лучах… И… ничего, никаких следов кварков!

Одно время физики думали, что «вышелушить» кварки из протонов и нейтронов мешает их очень большая масса. Плавая в энергетической «ванне» внутри нуклона, они становятся гораздо легче, и, чтобы превратиться в свободные тяжелые кварки, им нужно здорово «поправиться». Этого нельзя сделать без усиленного энергетического «питания», поэтому выбить кварк из нуклона, вдоволь «накормив» его энергией, может лишь сильно разогнанная частица. А поскольку кварки в опытах не рождаются, это означает, что мощности современных ускорителей еще недостаточно, и поймать кварк, возможно, удастся только в далеком будущем. Вывод очень пессимистический.

Правда, есть еще один источник высокоэнергетических частиц-снарядов – космические лучи. Там встречаются частицы с энергией в тысячи и даже миллионы раз большей, чем дают ускорители. Казалось бы, уж они-то должны разбивать нуклонные «орешки» на кварки! Тем более обескураживающей была для физиков неудача всех попыток обнаружить эти частички.

Может быть, причина в том, что высокоэнергетических «снарядов» в космических лучах крайне мало и редкие случаи рождения кварков просто ускользают от внимания наблюдателей?

Кварки вокруг нас

Космические частицы очень высокой энергии действительно весьма редки, но зато выбитые ими кварки должны постепенно накапливаться в веществе нашей планеты – ведь, однажды образовавшись, кварк уже не может исчезнуть. Он не способен распасться на обычные частицы, так как заряд-то у него дробный, а дробь, как ни крути, нельзя превратить в целое. Если кварк поглотится протоном или нейтроном окружающего вещества, то при этом снова образуется объект с дробным электрическим зарядом – еще один тип кварков, только несколько более тяжелых. Кварковое вещество неуничтожимо, точнее, почти неуничтожимо, так как исчезнуть и превратиться в обычные частицы кварк все же может, когда он столкнется с антикварком и произойдет их аннигиляция, взаимоуничтожение. Однако вероятность таких столкновений для рассеянных по веществу кварков и антикварков чрезвычайно мала. А если к тому же учесть, что космические частицы бомбардируют нашу планету уже многие миллиарды лет, то за это время в земном веществе должно накопиться огромное количество кварков. Вот тут-то их и можно попытаться обнаружить.

Есть еще одна причина, почему окружающее нас вещество должно быть «нафаршировано» крупинками кварков. В следующей главе мы увидим, что когда-то, очень-очень давно, Вселенная была в раскаленном состоянии. Все частицы тогда двигались с большой скоростью и имели огромную энергию, кварки были свободными, несвязанными частицами. Потом Вселенная несколько остыла. Почему это произошло, опять-таки будет объясняться в следующей главе, сейчас нам важно лишь знать, что настало время, когда кварки стали слипаться в адроны. Сталкиваясь, они образовывали общую энергетическую «ванну», сразу теряли в ней вес, а излишнюю массу «выплескивали» в виде излучений, подобно тому как толстый человек расплескивает воду, садясь в наполненную до краев ванну. Кварки сливались в адроны, а разбить их обратно у окружающих частиц энергии уже не хватало. В раскаленной Вселенной они носились, как разъяренные пчелы вокруг разбитого улья, в остывшей они стали похожи на суетливых, но осторожных муравьев, снующих вокруг своей кучи из рыжих иголок. Так «сварилось» вещество нашего мира. Но отдельные кварки при этом могли, так сказать, замешкаться и оказаться в окружении одних адронов, не имея партнеров для слияния. Это похоже на известную детскую игру: ее участники бегают по площадке, не обращая внимания друг на друга, вдруг звучит сигнал, и каждый торопится объединиться с соседом в пару. А кто не успел – водит.

Заблудившиеся кварки-неудачники должны сохраниться до наших дней. Они до сих пор странствуют по миру в поисках своих «суженых».

Расчеты, выполненные академиком Я. Б. Зельдовичем и его коллегами, показали, что в каждой пылинке окружающего нас вещества с диаметром в тысячную долю миллиметра должно быть примерно по одному заблудившемуся кварку. К этому следует добавить еще кварки, рожденные космическими лучами. Концентрация получается очень высокой. Тем более что это в среднем, а на самом деле кварки могут распределяться очень неравномерно, и в некоторых веществах их концентрация может быть еще выше. Все это выглядело весьма оптимистично, и многие лаборатории мира с энтузиазмом взялись за ловлю свободных кварков. Началась буквально кварковая лихорадка. Кварки искали не только специалисты-физики, но и химики, инженеры и даже биологи. Многим казалось, что с помощью современной техники обнаружить кварки не сложнее, чем отыскать крупинку золота в куче золотоносного песка.

Был момент, когда казалось, что кварковая жар-птица уже в наших руках. Солидный американский физический журнал, а вслед за ним научно-популярные журналы и газеты объявили об открытии дробных зарядов. Однако «допрос с пристрастием» показал, что этот результат ненадежен и, возможно, обусловлен какими-то неучтенными особенностями эксперимента.

Сегодня, пожалуй, наиболее точный метод поиска кварков основан на том, что, блуждая в веществе, кварки с отрицательным электрическим зарядом будут прилипать к положительно заряженным атомным ядрам. Образуются «кварковые атомы», которые по своим свойствам несколько отличаются от обычных атомов. Этим можно воспользоваться для концентрирования и выделения «кваркового вещества».

Метод напоминает старый студенческий анекдот о том, как поймать льва в пустыне Сахара: надо растворить весь сахар в воде, тогда лев выпадет в осадок!

Были исследованы железные метеориты, различные минералы, морская вода, выбросы вулканов во время их извержений, лунный грунт и прочее. Были исследованы все экзотические уголки, до которых могли только добраться фантазия и руки физиков. Измерения были настолько точными, что если бы в десяти кубометрах воды (по объему это хотя и не целая Сахара, но весьма приличная цистерна!) содержались всего один-два кварка, то они были бы обнаружены. Точность фантастическая! Если бы такие возможности имели золотоискатели, они смогли бы легко обнаружить крупинку золота в песчаной горе размером с десяток Эверестов и даже больше.

И тем не менее все опыты оказались неудачными – кварков не обнаружили.

Это можно было бы понять, если допустить, что кварки не просто очень тяжелые, а чрезвычайно тяжелые частицы. Дело в том, что когда частицы «выкристаллизовывались» из первичного аморфного вещества юной Вселенной, тяжелым частицам это давалось труднее, первыми и в большем количестве «выпадали в осадок» легкие частички. (Мы опять несколько забегаем вперед, об этом пойдет речь в следующей главе, но что делать, многие разделы физики переплетаются и их нельзя расположить «голова в голову»!) Поэтому чем больше масса кварка, тем меньше их блуждает сегодня вокруг нас. В своих расчетах теоретики предполагали, что кварк в пять – десять раз тяжелее протона, а для того чтобы объяснить отрицательный результат опытов, необходимо допустить, что масса кварка в миллиарды миллиардов раз больше. Кажется невероятным, чтобы часть протона, его долька, весила в миллиарды миллиардов раз больше его самого, – гора Казбек внутри горошины!

Сегодня большинство физиков считает, что свободных, изолированных кварков в природе вообще нет. Кварки наглухо «заперты» внутри элементарных частиц, и никакими силами выбить их оттуда нельзя. Советский физик Я. Б. Зельдович одним из первых пришел к выводу, что в мире действует какой-то закон, который строго-настрого запрещает вылет кварков из адронов.

Но из чего же тогда сделаны «стенки» адрона, если ни один снаряд, даже самый высокоэнергетический, не может их разрушить?

Пленники резиновой «тюрьмы»

Опыты по зондированию нуклона доказали, что в центре элементарной частицы кварки почти не связаны взаимодействием и ведут себя как плавающие в воздухе надувные шарики. Если же кварки пытаются разойтись, то сразу же возникают стягивающие их силы. Другими словами, как самостоятельные частицы, кварки и антикварки существуют лишь в глубине элементарных частиц, а на их периферии кварки могут находиться лишь в форме связанных сгустков – например, в виде пи-мезонов.

Интересно получается: в атомах и в их ядрах сильнее всего связаны внутренние наиболее плотные слои, а вот кварковый каркас элементарных частиц, наоборот, наиболее жестко и крепко сцементирован на периферии. Недаром физики шутят о «центральной свободе» и «периферическом рабстве» кварков, а английский термин «кварковый конфайнмент» – буквально: «пленение кварков», «кварковая тюрьма» – встречается на страницах самых серьезных научных статей!

Хотя ни один снаряд не может расколоть адронные «орешки», было бы неверным считать, что их стенки тверды, как танковая броня или железобетонный колпак дота. Сквозь эти стенки глубоко внутрь протона и нейтрона проникают пучки зондирующих электронов, их пронизывают насквозь фотоны и нейтрино. И в то же время их не может преодолеть ни один внутренний кварк.

С первого взгляда неясно даже, как связать такие, казалось бы, несовместимые, взаимоисключающие особенности кваркового строения частиц. Тем не менее их можно понять с помощью весьма простой модели. Представим себе, что между кварками натянуто что-то вроде резиновых нитей. Когда кварки близко один от другого, нити провисают, и кварки чувствуют себя свободными – резинки не мешают их движению. Но как только кварки расходятся, нити натягиваются, и тем сильнее, чем больше расстояние между их концами. Кварки сразу оказываются спутанными «по рукам и ногам».

В старой вьетнамской сказке рассказывается о страшной змее, которую не смог убить ни один воин. У нее вместо хвоста была еще одна голова, а когда змею рассекали мечом, на месте разреза мгновенно вырастали новые головы, и вместо одной змеи к сражению были готовы уже две. Мезон похож на такую двухголовую змею, а нуклон – на клубок из трех змей. Если в один из кварков, находящихся внутри мезона, «выстрелить» быстрым электроном, этот кварк получит большой импульс и отскочит. Но его движение будет продолжаться лишь до тех пор, пока натяжение удерживающих резиновых нитей не возрастет настолько, что их энергии станет достаточно для рождения новой пары кварков. Не выдержавшая напряжения нить рвется, в точке разрыва выделяется накопившаяся энергия, и рождаются два кварка, точнее, кварк и антикварк с противоположными зарядами. (Сохранение электрического заряда – такой же строгий закон природы, как и закон сохранения энергии.) Антикварк и выбитый электроном кварк «слипнутся» и образуют мезон, а оставшийся кварк займет внутри частицы место выбитого кварка. И в результате все будет выглядеть так, как будто кварк остался на месте, и одновременно за счет энергии растянувшего нить электрона родился мезон – был один мезон, стало два!

Похожим образом ведет себя и нуклон. Каждый раз, когда пытаются выбить из него кварк, рождается новый мезон, а нуклон остается невредимым.

Теперь должно стать понятным, почему не удается расколоть нуклон на три кварка: сколько по нему ни бей, из него всякий раз будут вылетать целые частицы – адроны, а не их осколки – кварки и антикварки!

Модель резиновых нитей самая простая, но не единственная, используемая физиками для описания кваркового строения элементарных частиц. Есть еще модель пузыря с упругими, эластичными стенками, которым не дает сжаться давление кваркового газа. Правда, газовых частиц в таком пузыре всего лишь две или три, и говорить о газе здесь можно лишь с большой долей условности. В научных статьях эту модель часто называют также «кварковым мешком». Физики, которые ее разрабатывают, получили шутливое прозвище «мешочников». Есть и другие модели.

Конечно, все они представляют собой очень упрощенное, сильно усредненное описание реального положения дел. Мы еще только прикоснулись к кварковым явлениям. Пока это клубок противоречивых гипотез и фактов. Нечто похожее в физике уже было, когда создавалась теория атома. Тогда тоже было много различных наглядных моделей, с помощью которых ученые пытались если не объяснить, то хотя бы привести в систему новые факты. Физикам придется еще много потрудиться, чтобы превратить кварковые модели в такую же строгую теорию, какой является сегодня теория атома.

И первый вопрос, который здесь возникает: почему межкварковые силы не похожи на все другие? Электромагнитное взаимодействие, сила тяжести, мезонный бадминтон нуклонов – все они уменьшаются с увеличением расстояния. Вспомним закон Кулона или закон всемирного тяготения Ньютона: сила обратно пропорциональна квадрату расстояния. Расстояние увеличивается вдвое, сила уменьшается вчетверо. Ядерные силы уменьшаются еще быстрее. Такое поведение сил вполне понятно – чем дальше частицы, тем слабее они действуют друг на друга. А вот кварки почему-то предпочитают взаимодействовать издалека. Из чего же состоит «резиновый клей», стягивающий их в адронные капли?

«Глюонный клей»

Для физика такое заглавие звучит как «масляное масло», потому что слово «глюон» уже само происходит от английского «глу» – клей. Придумал частички-глюоны все тот же Ричард Фейнман. Он отвел им роль воланчиков в бадминтоне партонов – кварков. Другого способа организовать взаимодействие физика не знает. Ведь если частицы взаимодействуют, между ними должно что-то передаваться.

Глюоны очень похожи на частицы света – фотоны. У них тоже нет массы, и они движутся со скоростью света. Однако в отличие от зарядово-нейтральных фотонов, они «измазаны» зарядом. Фотон никакого нового электрического поля вокруг себя не создает. Наибольшую интенсивность поле имеет вблизи заряда – его источника, а далее оно постепенно рассеивается в пространстве и ослабевает. Глюон же своим собственным зарядом рождает новые глюоны, те, в свою очередь, – следующие и так далее. Происходит лавинообразное саморазмножение. Поэтому-то глюонное поле и не ослабевает, а, наоборот, возрастает при удалении от породившего его кварка. «Глюонный клей» напоминает тесто на дрожжах, его так же «распирает».

Если вернуться к наглядной картине бадминтона, то следует сказать, что отброшенный кварковой ракеткой глюон-воланчик сразу же начинает, как пеной, обрастать новыми глюонами, и в результате удаленные кварки обмениваются целыми комками воланчиков. Их связь становится более сильной. Это объясняет, почему «глюонный клей» обладает свойствами резины.

Каждый кварк утоплен в толстом комке глюонной резины. «Голыми», очищенными от клея, кварки становятся лишь в центре частицы. Зондирование центральных областей нуклона дало неожиданный результат: голые кварки – очень легкие объекты, их масса в сто раз меньше нуклонной. Оказывается, нуклон и другие элементарные частицы состоят в основном из глюонного клея. Шарики, наполненные глюонной «жидкостью», с маленьким пузырьком в центре!

Как и кварки, глюоны – вечные пленники. В лавинообразном образовании глюонной «пены» энергия начального глюона быстро делится на все более и более мелкие порции, и глюон «тает» – растворяется в комке рожденных им новых глюонов. Он не может уйти далеко от места своего рождения.

Тем не менее глюоны оставляют видимые следы. При столкновении с зондирующим электроном глюон иногда получает такой сильный толчок, что его энергии хватает не только на образование глюонной «пены», но и на рождение кварк-антикварковых пар. Эти пары сразу же слипаются в мезоны и вылетают в виде узкой, «кинжальной» струи частиц. Можно сказать, что получивший большой импульс глюон так резко тормозится на краю частицы, что его энергия струей «выплескивается» наружу. Узкие мезонные струи наблюдались во многих экспериментах.

Глюон – частица, изобретенная за письменным столом теоретика, однако сегодня нет сомнений в ее реальном существовании.

Аромат и цвет кварков

С тех пор как выдумали кварки, прошло уже четверть века, и их уже давно перестали считать «чепухой». Курьезный намек на это остался лишь в их названии. Для физика глюоны и кварки сегодня такие же привычные объекты, как атомы и молекулы.

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. Правда, кваркам до тривиальности еще далеко, они до сих пор преподносят сюрпризы.

Поначалу считали, что кварки имеют три состояния. Семейство трех братьев-близнецов. Фраза «Три кварка для мистера Марка» имела тогда прямой смысл. Два кварка нужны, чтобы построить нуклон и пи-мезон. Третий – для конструирования странных частиц. Вскоре, однако, были открыты «прелестные» и «очарованные» частицы, и для них пришлось ввести еще два кирпичика-кварка. А недавно был обнаружен шестой кварк. Эти три кварка значительно тяжелее своих собратьев, их масса больше нуклонной.

Теперь уже не три, а шесть кварков для мистера Марка! Чтобы различать, им присвоили номера – первый, второй и так далее. Однако это неудобно, поскольку все шесть кварков совершенно равноправны, и какой из них называть первым, а какой последним, зависит от конкретной задачи. Поэтому предложено считать, что все кварки обладают общим свойством – ароматом, но каждый из них пахнет по-своему. Шесть кварков – шесть запахов.

Конечно, кварк нельзя понюхать, и никакого аромата в обычном понимании у него нет. Это только удобный термин, такой же, как «странность», «очарование» или «прелесть», с помощью которых описывают определенные свойства частиц. Физики любят использовать необычные и поэтому легко запоминающиеся названия.

Иногда это приводит к забавным недоразумениям. Некоторое время мне пришлось работать в отделе, начальник которого весьма формально выполнял свои обязанности. Подчиненным это надоело, и вот однажды один из них среди прочего оборудования заказал пару оптических осей. (Оптическая ось, как известно, это – воображаемая линия, соединяющая фокусы линзы.) Наш начальник, по обыкновению, не глядя «подмахнул» заказ, а ответственный за поставку оборудования хозяйственник, доверяя авторитету нашего титулованного начальника, принял все за чистую монету. Понятно, что никаких оптических осей институт не получил.

– Мне предлагали, но толстоваты, отказался! – попытался вывернуться на отчетном собрании хитрец снабженец, но его слова утонули в громовом хохоте.

Не смеялся один начальник.

Ныне хозяйственник стал опытным, а лет двадцать – тридцать назад еще можно было выписать дефицитный растворитель для протирки тех же оптических осей или для смывания «ионных пятен» с экрана телевизора!

Испуская или поглощая глюон, кварк изменяет свой «цвет». Подобно снующим над цветами пчелам, глюоны «измазаны» пыльцой-зарядом. Сядет такая «пчела» на кварковый «цветок», и он сразу приобретает другой цвет, улетит – опять новый цвет, в зависимости от того, сколько и какой зарядовой «пыльцы» унесла глюонная «пчелка».

Кварковыи заряд «цвет» во многом похож на электрический. Он также может быть большим или маленьким, положительным или отрицательным (в последнем случае говорят, что цвет сменился антицветом). Но есть одно принципиальное отличие. Как бы ни изменялся электрический заряд, он всегда остается электрическим зарядом. Цветовой же заряд может изменить еще и свой цвет. Фактически это сразу три независимо изменяющихся заряда, которые к тому же могут еще и переходить один в другой. Цветные системы несравненно богаче по своим свойствам, чем электрические.

Попытайтесь представить себе, как изменился бы окружающий мир, если бы вдруг появились три типа электрических зарядов. Три сорта света и радиоволн, цветное электричество, разные типы атомов…

С открытием «цвета» микромир стал в наших глазах многограннее и ярче, но кварков теперь уже восемнадцать. Этот факт тоже начинает беспокоить – уж очень сложной становится «самая элементарная» частица. Видимо, в недрах микромира от нас скрыто еще что-то очень важное…