Юрий Чирков - Охота за кварками
В краткости жизни микрочастиц не было бы ничего удивительного, если бы среди них не затесалось несколько кощеев бессмертных. С ними-то и связаны все надежды на хотя бы относительную прочность окружающего нас мира.
Из многих сотен так называемых элементарных частиц правом на бессмертие обладают (пока?) лишь несколько избранников природы, которых легко можно перечесть по пальцам. Это фотон, электрон, нейтрино, протон (единственный из семейства адронов). Нейтрон, этот один ил главных компонентов почти любого атомного ядра, являющийся также адроном, в свободном состоянии неустойчив: примерно через 16 минут он распадается. Правда, в составе стабильных атомных ядер они (нейтроны) сравнительно устойчивы. Нейтроны ставят перед физиками еще одну загадку: почему они распадаются не на три кварка, как это следовало бы ожидать, а на протон, электрон и электронное антинейтрино?
Итак, мы насчитали лишь четыре типа устойчивых частиц. Все другие элементарные частицы умирают, не успев как следует родиться, ибо время их жизни ничтожно.
Основательность, незыблемость картины мира - где вы? Страшно вообразить Вселенную, которая в основном оказалась сработанной из быстроразваливающихся частиц. Сплошной поток гримас, хор судорог, сливающийся в одно дрожанье хаоса.
Немыслимыми путями этот поток беспорядка организует нам все окружающее. Поддерживает термоядерные реакции, без которых погасли бы Солнце и звезды, творит земную твердь, разумных и неразумных тварей на ней, растения.
Прежде этот "фокус" природы можно было объяснить, указав, что основа всего - атом водорода, точнее, входящие в него протон и электрон - вечны. Теперь же бессмертие протона повисло на волоске, оказалось под подозрением.
Сколько тебе жить, протон!
Мы сидим на крохотном островке стабильности и с душевным трепетом взираем на физиков, которые вот-вот готовы и протон объявить частицей неустойчивой.
Стабильность электрона легко объяснить. Он имеет минимально возможный заряд (если не принимать в расчет кварки, эти получастицы, полуфантомы!). Все частицы меньшей массы (обычно при ядерных развалах тяжелое распадается на более легкие части), те, на которые электрон мог бы распасться (фотон, нейтрино), - нейтральны. Получается, что электрону просто не на что "распасться". Тут вступает в действие закон сохранения электрического заряда: заряд не может исчезать или возникать.
С протоном дело сложнее.
Он мог бы передать свой единичный положительный заряд, скажем, более легкому позитрону, тоже положительно заряженному.
Прежде эту возможность теоретики игнорировали, так как адроны (протон среди них) и лептоны (электрон, позитрон) были разделены, казалось бы, непроницаемой стеной. Однако в рамках "великого объединения" различие между этими частицами исчезает. Здесь кварки, которые раньше можно было отличить по их способности к сильным взаимодействиям, могли бы запросто превращаться в лептоны, прежде считавшиеся частицами совсем другой природы, участвующие только в электрослабых взаимодействиях. Как следствие этого, состоящий из трех кварков протон теперь мог бы превратиться в лептон и мезон. Например, по такой схеме: р-"е+ + п° (протон распадается на позитрон и нейтральный пимезон).
Теперь вопрос - как быстро должно идти это превращение? Скорее всего со скоростями черепашьими. Ведь масса данных, начиная с солидного возраста земного шара, говорит о том, что окружающее нас вещество вроде бы вовсе не исчезает.
Слоны и вороны, говорят, живут сотни лет, американские секвойи тысячи. А сколько лет способен прожить протон? Если срок его жизни окажется очень большим, то с чем его сравнивать? Может быть, со временем жизни нашей Вселенной? (Да она тоже невечна, и в принципе имело бы смысл отмечать дни, нет, миллиардолетия со дня ее рождения!)
Возраст Вселенной установлен довольно точно - 10^10, или, в обычной записи, 10 миллиардов лет. Число катастрофически громадное; и все-таки протон должен жить дольше, что нетрудно доказать.
Мы, как выразился один физик, "знаем своими костями", что среднее время жизни протона болыце, чем, ну скажем, 10^16 лет. В самом деле, если бы оно было заметно меньше, то 10^28 протонов, образующих тело взрослого человека, распадались бы со средней скоростью, превышающей 10^12 протонов в год, или около 30 тысяч распадов за секунду.
Человек стал бы радиоактивным! И сам представлял бы угрозу для своего здоровья.
Различные теоретические соображения и эксперименты (о них еще пойдет речь) свидетельствуют: время жизни протона больше 10^30 лет. Умопомрачительная величина! Откуда она взялась? Физики в состоянии дать отчет.
Протон, считается, состоит из трех кварков. В среднем они находятся друг от друга на значительной дистанции, расстояниях порядка радиуса протона. Эти размеры крошечны для нас, людей, но грандиозны, чтобы на них могли проявить себя "сильно-электромагнито-слабые"
("великое объединение" сил) взаимодействия.
Протон, возможно, способен превратиться в позитрон, но только при том условии, что один из его кварков станет лептоном. И вот для этого-то кварки и должны сблизиться на расстояния в миллиарды миллиардов раз меньшие, чем размер протона.
Понятно, что вероятность такого сближения крайне мала, а значит, шанс за то, что протон не развалится у нас на глазах, должен быть велик. Так и возникают числа большие, чем 10^30.
И еще одно замечание-разъяснение. Не надо думать, что если время жизни протона или электрона (пока электрон считается вечным) превышает возраст Вселенной (на 20 порядков!), то эти частицы существовали и тогда, когда Вселенной еще не было и в помине. Нет, протоны и электроны появились вместе со Вселенной. И число 10^30 означает лишь ту "веху" жизни Вселенной, когда большинство протонов мира развалится.
Как иголку в стоге сена
Изучение элементарных частиц часто принимает форму диалога между теорией и экспериментом. Теоретики предсказывают существование новых частиц и явлений и передают слово экспериментаторам. Те конструируют и изготовляют тончайшие приборы и приступают к опытам.
В результате получают то, или не совсем то, или уж совсем не то, чего ожидали теоретики. Последние оценивают опытный итог и снова высказывают идеи экспериментаторам. Те опять включают свои машины. И так далее, и так далее.
Как обнаружить распад протона? А. Беккерель открыл радиоактивность урана с помощью кристалла урановой соли весом всего в несколько граммов (самый быстро распадающийся изотоп урана - уран-234 - имеет краткий век). Понятно, что в случае с протонами граммов вещества будет недостаточно. Самый простой способ обнаружить распад протона (будем для определенности считать, что время его жизни составляет 10^31) - это наблюдать в течение года по меньшей мере за 10^31 протонами.
Масса такого количества протонов составляет что-то около 18 тонн. Но на практике неизбежно разбавление протонов нейтронами, поскольку они, как и протоны, имеются в ядрах любого вещества, поэтому вес "детектора" - это может быть вода, железо и другие вещества - должен быть больше; как минимум надо "иметь под рукой" тысячу тонн.
А чтобы действовать наверняка, необходимо увеличить этот вес до 10 тысяч тонн. Тогда можно было бы надеяться зарегистрировать примерно дюжину случаев распада протонов за год.
А теперь представим себе, как будет проходить такой эксперимент.
На глубине сотни (лучше тысячи) метров под поверхностью планеты надо найти или вырубить в скальных породах полость размером в десятки кубических метров.
Готово? Тогда грузим тяжеловесные составы (сцепленные из специально обработанных изнутри цистерн) особо чистой водой. Ее предварительно следует отфильтровать от примесей самым тщательным образом до кристальной прозрачности!
Затем эту доставленную к "шахте" воду надо с большими предосторожностями закачать в облюбованный подземный резервуар.
Но и этого мало. Стенки резервуара должны быть увешаны тысячами архичувствительных регистрирующих счетчиков.
В общем-то идея эксперимента проста. Вот только реализовать ее не так-то легко. Ведь требуется, по пословице, обнаружить иголку в стоге сена.
Первая трудность - примеси в воде. Даже мельчайшие концентрации посторонних веществ в жидкости могут имитировать распад протона и ввести экспериментаторов в заблуждение.
Вторая трудность - наличие громадных объемов вещества, необходимого для обнаружения распадов протона, влечет за собой нужду в пропорционально большом количестве регистрирующих приборов. К примеру, потребуются многие тысячи одних только фотоэлектронных умножителей.
Но еще больших хлопот доставляет проблема фона.
Искомый сигнал, свидетельствующий о распаде протона, может затеряться в шумах, вызванных не относящимися к делу явлениями.
Фон может быть внутренним, связанным с радиоактивностью воды и примесей, и внешним, космическим.
