Текст книги "Охота за кварками"
Автор книги: Юрий Чирков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 17 (всего у книги 19 страниц)
Белая ворона микромира
Есть два пути изучения внутренней структуры элементарных частиц: увеличивать энергию ускорителей, строить машины все более огромные, и второй путь – увеличивать точность опытов при уже достигнутых на старых ускорителях низких энергиях (следуя этой тропой, физики в Протвиие недавно открыли еще две элементарные частицы – аш– и эр-мезоны).
Что предпочесть? Конечно же, первое: так считает большинство физиков. И эта стратегия себя прекрасно оправдывает. В последние десятилетня все самые важные открытия в физике высоких энергий были сделаны с помощью ускорителей, мощь которых непрерывно росла.
Ждут физики и еще большего.
Энергия проектируемого нового ускорителя в Протвине – ТэВ'ы. Казалось бы, глупо спрашивать, почему выбраны такие величины: по дороге в неизведанное сюрпризы могут подстерегать исследователя на любом километре! Удивительно, однако, что физики знают, чего хотят. И ТэВ'ы выбраны не случайно. Именно за этим порогом может проясниться природа слабых взаимодействий.
Если рассуждать совсем грубо, то при энергиях, равных ТэВ'ам, физики хотят узнать, какая из цифр – тройка или четверка – более близка микромиру. Если точнее: трехчастична или же четырехчастична природа элементарных взаимодействий?
Уже давно (Э. Ферми, 1934 год) теория слабых взаимодействий формулировалась как взаимодействие с участием четырех частиц: так нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Поразительно, что все другие взаимодействия исключительно трехчастичные.
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 -16сантиметра, 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. Генри
Аристотель, 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.
Ускоритель частиц – на вашем столе!
В одной из своих последних лекций итальянский физик Э. Ферми говорил об ускорителе протонов на энергию 10 4ТэВ. Увы, говорил он это полушутя: кольцевой магнит такого ускорителя должен был бы опоясывать земной шар по экватору!
На таком грандиозном фоне мечты об ускорителе, разгоняющем частицы до больших энергий и разместившемся где-нибудь в подвале дома, покажутся неуместной шуткой. И все же такие малогабаритные ускорители вполне возможны. В это верят и ученики академика Г. Будкера, работающие в новосибирском академгородке, и исследователи из подмосковного города физиков Дубны (группа В. Саранцева). Хотят этого и физики Абхазии, работающие по проблеме «Коллективное ускорение ионов в электронных пучках».
Небольшая, забитая приборами комната – лаборатория физики плазмы и газового разряда Абхазского государственного университета. Возглавляет лабораторию кандидат физико-математических наук доцент Г. Джобава.
– Вот здесь и разместится наш ускоритель, – говорил он автору этой книги, указывая на стенд размером с обычный письменный стол. – Мы перенесли его из другого здания и сейчас монтируем. Он будет ускорять ионы до энергий в миллионы электрон-вольт.
«Как, – помню, удивился я, – ускоритель, уместившийся в маленькой комнатушке? Так сказать, «домашний» ускоритель?..»
В конце 50-х годов академик В. Векслер высказал оригинальную идею. Суть ее была в том, чтобы поле, ускоряющее частицы, создавалось не внешними источниками (здесь возможности уже практически исчерпаны), а возникало в результате взаимодействия группы ускоряемых частиц с другой группой зарядов (отсюда и термин «коллективное ускорение»).
Ускоряющей группой может быть и струя электронов, и поток плазмы, и электромагнитная радиация. Это и есть, так сказать, «внутренние резервы» ускорения.
Скажем, в плотной плазме напряженность электрического поля может достигать 10 8вольт на сантиметр.
И значит, для ускорения частиц потребуются уже не километровые «дистанции», а… метровые! И этот бурный «спринт» даст вполне ощутимые результаты.
Но как этого добиться? Как практически реализовать столь заманчивые предложения? Физики перепробовали много способов. Расскажем лишь об одном, на наш взгляд, очень изящном.
…Лет двадцать назад в Сухумском физико-техническом институте группа исследователей под руководством доктора физико-математических наук А. Плютто пыталась получить из плазменного источника сильноточные электронные пучки.
Ученые имели свои «интерес», об ускорителях они тогда не помышляли. Однако по ходу экспериментов обнаружилось: при определенных условиях наблюдаются ионы плазмы с энергиями, существенно превосходящими приложенную разность потенциалов. Так, к источнику подавались напряжения порядка сотен киловольт, а ионы имели энергии в несколько миллионов электрон-вольт!
Вот этот «незапланированный» успех своих земляков – сухумских физиков и пытаются развивать физики Абхазского университета (работа ведется совместно с Московским институтом теоретической и экспериментальной физики).
Мощный поток электронов, извергаемый электронной «пушкой» – эмиттером, направляется на сгусток плазмы положительно заряженных ионов, которые и надо ускорить. Легкие и поэтому подвижные электроны, «забежав» вперед ионов, начинают подтягивать к себе (своего рода «гонка за лидером»). И сила эта будет действовать, пока скорости электронов и ионов не сравняются.
Но масса, скажем, протона в тысячи раз больше массы электрона. Значит, во столько же раз будет больше и его (протона) кинетическая энергия! Так слабые энергии пучка электронов оборачиваются огромными энергиями ускоренных ионов.
В этом суть наиболее простого из новых методов коллективного ускорения ионов – прямоточного. Есть и другие: например, ускорение электронными кольцами, эти работы наиболее энергично ведутся в Дубне.
Да, слова «домашний ускоритель» не столь уж и неправомерны. Энергии электронного пучка в кинескопе обыкновенного телевизора (20 киловольт) пли в рентгеновской трубке вполне достаточно для мощного разгона ионов. И подобный ускоритель свободно разместится на рабочем столе исследователя!
А такие малютки очень нужны. Можно было бы, к примеру, моделировать солнечный ветер, исследовать поведение радиоэлектроники в условиях космического полета. «Прикладники» смогли бы (без необходимости получать допуск к большим ускорителям) у себя на месте, почти в «домашних условиях», осуществлять, скажем, ионное легирование напыленных пленок, проверять надежность аппаратуры, собранной на микросхемах.
Мини-ускорители не фантазия, порукой тому – работы, которые ведут физики Абхазии.
Деликатесы и хлеб насущный
Телевизоры и транзисторы – вещи обыденные для каждого из нас. А все потому, что примерно 90 лет назад ученые открыли электрон. Атомная энергетика, а завтра – термоядерный синтез? И это результат открытых физиками деления и слияния ядер. Но еще более волнующие открытия сулит нам изучение мира элементарных частиц. Тут техника, возможно, поднимется до таких вершин, о которых нам и не мечталось.
Это один взгляд на будущее микрофизики, взгляд, исполненный оптимизма. Однако есть и противоположное мнение. Часть ученых считает, что роль микрофизики изменилась, что она утрачивает свою позицию лидера, что ее скоро потеснят более бойкие, а главное, более полезные человеку науки.
В последние годы подобные вопросы неоднократно ставил и обсуждал академик В. Гинзбург. Его книга, например, «О физике и астрофизике?» (1974) имеет характерный подзаголовок: «Какие проблемы представляются сейчас особенно важными и интересными?»
Он считает, что место микрофизики во всем естествознании и в жизни общества радикально изменилось: мода на нее прошла, самый блестящий в общечеловеческом плане этап в развитии микрофизики уже позади.
(Справедливости ради следует отметить, что в новых высказываниях – а ученый довольно часто итожит развитие науки и делает прогнозы – эта негативная позиция несколько смягчена.)
Вот что писал академик: «Если позволено будет выразить сказанное в ненаучных терминах, я сказал бы, что микрофизика в первой половине нашего века была первой дамой естествознания. Сегодня и завтра она остается, и останется «только» самой красивой дамой. Но в том-то и дело, что разные люди могут считать разных дам самыми красивыми, первая же дама (в отличие от первых заместителей), по определению, только одна (например, так называют жену президента). Позволю себе добавить, что для меня самого микрофизика была и остается самой красивой физической дамой. Но в отличие от некоторых коллег я лишь считаю, что поклонение не должно сопровождаться игнорированием изменений возраста и характера, а также пренебрежением к другим объектам, достойным восхищения».
Эти шутливые слова прикрывают вполне весомые доводы. Действительно, в первой половине XX века в центре внимания микрофизики находились атомы, электроны, фотоны, атомные ядра. Все вещества состоят из атомов, пишет В. Гинзбург, свет Солнца дарит Земле жизнь.
Так стоит ли удивляться, что физики, фактически подчинившие эти атомно-фотонно-электронно-ядерные стихии, стали центральной фигурой в науке, и не только в ней!
Но времена меняются. Овладев атомами и их ядрами, этим хлебом насущным, микрофизики углубились затем в объекты совершенно экзотические, стали «выращивать» редкие, нежные растения, или, по-иному, стали лакомиться редчайшими деликатесами.
В самом деле, ну какое значение для промышленности, сельского хозяйства, для жизни отдельных стран и всего человечества могут иметь микрочастицы, живущие ничтожные доли секунды, все эти мезоны, частицы-резонансы? Могут ли принести пользу технике неудержимые нейтрино? И есть ли какой-то прок от ароматных цветных кварков, прячущихся, словно улитка в своей раковине, и не желающих ни за какие коврижки оттуда вылезать?
«То исключительное место, – продолжал академик, – которое микрофизика занимала в недавнем прошлом, в значительной мере перешло к биологии и, конкретно, к биофизике и молекулярной биологии, обещающим создать жизнь «в пробирке», радикально удлинить человеческую жизнь, побороть страшные заболевания (рак и другие), мобилизовать огромные ресурсы человеческого мозга. Микрофизика же сегодняшнего дня заняла место, аналогичное астрофизике с ее увлекательными открытиями и загадками, с ее пульсарами, квазарами, «черными дырами», космологической сингулярностью…»
Это мнение В. Гинзбурга разделяют и другие ученые.
Ход их рассуждений таков. Атомная физика как наука завершена. Ядерная физика – здание, еще не достроенное, по то, что она может дать практике, уже вполне определилось. С 40-х годов микрофизика стала изучать прихотливый мир элементарных частиц. Получаются они искусственным путем на ускорителях и в космических лучах. И тут человек как бы творит и хочет познать совершенно искусственный ирреальный мир, имеющий с миром реальным ничтожную связь. Потому и трудно ждать каких-то практических выгод от подобных исследований. (Так и рождается версия о том, что работающие в этой области физики похожи… на коллекционеров марок. Или другая сентенция: что, строя дорогостоящие ускорители, ученые удовлетворяют свое любопытство за, так сказать, государственный счет.)
Подтвердить сказанное вроде бы легко. Вспомним хотя бы про загадку мю-мезона, или, если короче, мюона.
Мюоны – это электроны, только гигантских размеров. Зачем они? Ведь электроны прекрасно справляются со своей ролью в природе, никакой помощи от мюонов им не нужно. Сейчас, правда, полагают, что мюоны и другие диковинные частицы были необходимы в давние времена, на ранних этапах эволюции Вселенной. Возможно еще, что они трудятся в недрах далеких звезд. Но па Земле мюоны явно оказались без дела, и считается, что они остаются «безработными» до сих пор.
Мезонные фабрики
В доводах тех, кто отказывает микрофизике в большом будущем, есть, несомненно, доля истины. Ведь по мере продвижения в глубь материи разрыв в масштабах времен, длин, массы – между тем, что окружает человека, и тем, что он наблюдает, все увеличивается. И мы уже попросту вынуждены наполовину жить в стране абстракций, в иллюзорном, фантастическом мире.
Во всем этом – тщете представлений, в ломке взглядов – есть и глубокий трагизм. По существу, человек сам разрушает свой мир, ту область, экологическую нишу, так сказать, где ему так легко и свободно (имеются в виду представления!) дышалось. Он добровольно отказывается от тысячи понятий, сопровождавших его в жизни на каждом шагу. В поисках истины исследователи по камушкам, по досточкам разбирают лежащий под их ногами и без того крохотный мосточек, простершийся над бескрайним бушующим океаном природы.
Но нет худа без добра! Немало теряя, мы много и приобретаем: новые технологии, понимание скрытой сути вещей. Одно из этих достижений осознание того факта, что при погружении в микромир связь между совершенно разнородными, как прежде казалось, силами-стихиями становится все крепче.
Вспомним про ядерную демократию, про этот чудесный механизм «взаимной поддержки», «самосогласованности» элементарных частиц, когда оказывается, что в мире буквально все важно и значительно, что здесь нет пылинок, мелочен, второстепенного, где все завязано в один тугой узел, где бессмысленно рассматривать, скажем, протон без мезонов и всех других частиц, где только полная совокупность всех сил и явлений природы, порождающей саму себя, и творит данный нам в ощущениях мир.
Но отсюда следует и вывод практического порядка: только выяснение достаточно полной картины микромира позволит понять и столь важные для нас с точки зрения приложений ядерные силы. Таким образом, неожиданно выясняется, что физика элементарных частиц познает не только искусственный мир, не только далекие от жизни фантомы, но и структуру далеко не безразличной для нас области природы.
Вот так возникают очертания моста, соединяющего физику ядра и физику элементарных частиц, а также эти разделы фундаментальной физики с прикладными областями.
Как все это реализовать в практическом плане?
В ближайшие годы в подмосковном городе Троицке (Красная Пахра), где расположен Научный центр АН СССР, в Институте ядерных исследований (ИЛИ, его директор – академик АН Грузии А. Тавхелидзе, да, тот самый, кто вместе с Н. Боголюбовым сделал кварки цветными) начнет работать совершенно необычная фабрика… мезонная.
Еще с 70-х годов лексикон физики элементарных частиц пополнился новым термином – «мезонные фабрики». Речь тут шла, по сути, об ускорителях. Но дело было уже не в том, чтобы создавать колоссы в погоне за рекордными энергиями частиц, а чтобы на этих новых ускорителях получать пучки элементарных частиц с плотностями в тысячи раз большими, чем в пучках традиционных ускорителей.
Энергия мезонной фабрики в Троицке всего 600 МэВ (таковы параметры монтируемого там линейного ускорителя протонов и отрицательных ионов водорода), но зато ток пучка достигнет 1 миллиампера, так что мощность пучка – 0,6 МВт уже будет сравнима с мощностью небольшой электростанции.
Зачем нужны большие плотности пучка частиц? Чтобы прежде всего повысить точность экспериментов на ускорителях. Число измеренных событий, очевидно, пропорционально числу частиц в пучке. Надежность экспериментов поэтому возрастет.
А еще столь мощные пучки позволяют создать достаточно плотные и пучки вторичных частиц: поляризованных протонов и тепловых, холодных и ультрахолодных (с очень малой энергией) нейтронов, пучки пи-, ка-, и мю-мезонов (отсюда, видно, и родилось название «мезонные фабрики»), различных сортов нейтрино.
Схема получения мезонных и нейтринных пучков такова. При бомбардировке свинцовой мишени протонами рождаются пи– и ка-мезонные пучки, они фокусируются мощными магнитами и формируются в пучок, направляемый в нейтринный распадной канал. Там пионы распадаются на мюоны и нейтрино. Мюоны заворачиваются магнитным полем в мюонный экспериментальный зал.
Распадной канал заканчивается многометровой железной и земляной защитой. Она не пропустит ни одной частицы, кроме всепроникающих нейтрино, которые устремятся в особый нейтринный экспериментальный зал.
Так создается расходящийся веер пучков разной природы. Все это позволяет вести большое число (до 10 -15!) экспериментов одновременно.
