Юрий Чирков - Охота за кварками
Фон может быть внутренним, связанным с радиоактивностью воды и примесей, и внешним, космическим.
Этот наиболее неприятен.
Если установку расположить на поверхности Земли, то в кубометре воды за год произойдет примерно 10^9 реакций, вызванных космическими лучами. И отношение полезного сигнала к шумам будет ничтожным.
Космические лучи и гонят экспериментаторов под землю, заставляют размещать цистерны с водой в глубоких шахтах или туннелях. Стальные стенки метровой толщины не могут оградить испытуемое вещество от пришельцев из космоса, приходится в качестве щита использовать километровые земные толщи.
Но все эти трудности только раззадоривают физиков, мобилизуют их энергию, волю. Слишком велик научный куш, слишком высока цена победы!
Эксперимент века
Сейчас в поиски распадающихся протонов включились большие группы физиков на всех континентах, исключая лишь Австралию.
В СССР в Баксанской нейтринной обсерватории (Северный Кавказ) на глубине 850 метров под горой Андырча, что в Баксанском ущелье, успешно действует установка, вес которой около 300 тонн. Возможно, для этих же целей будет использована в будущем и соляная шахта вблизи города Артемовска на Украине.
Подобные же устройства функционируют в золотых, соляных и прочих шахтах Индии, Японии и других стран. Пока (данные 1983 года) самый большой детектор весом в 10 тысяч тонн воды находится в США в штате Огайо. Но Италия намерена побить этот рекорд - "вести в действие 12-тысячетонное устройство. А анализировать распады протона в нем будут черепковские счетчики.
Трудности подобных экспериментов становятся все очевиднее. Не так-то просто разместить такую уйму сверхчистой воды на глубинах в несколько километров.
Кроме того, в сырых и душных шахтах нелегко работать пе только экспериментаторам, но и приборам. А вот еще более серьезное затруднение.
Если время жизни протонов "(обозначим его через tp)
значительно превышает 10^33 лет (теоретики смогли установить только нижнюю границу их жизни*), то сооружение более крупных детекторов может оказаться и вовсе бесполезным. Ибо вместе с ростом детекторов будет пропорционально расти и неустранимый фон шумов.
При tp больше 10^35 лет в установках пойдут реакции, инициированные нейтрино. Они практически полностью имитируют протонные распады. Остается лишь надеяться, что физикам повезет: что tp меньше 10^35 лет.
Многие научные обозреватели справедливо называют поиск распадающихся протонов экспериментом века.
И вот почему.
Прежде всего будет доказана (если протон нестабилен) реальность великого объединения. Со всеми вытекающими отсюда последствиями. Их стоит перечислить.
Во-первых, будет существенно подкреплена кварковая гипотеза.
Во-вторых, удастся приоткрыть завесу над таким загадочным обстоятельством, как отсутствие в нашей Вселенной антивещества.
И наконец, космологи с помощью физиков смогут проэкстраполировать процесс развития Вселенной далеко в будущее, вплоть до времени, когда Вселенной исполнится 10^100 (!) лет. Если протон не вечен, то, по предсказаниям ученых, к этим почтенным срокам все протоны распадутся, а все галактики превратятся в "черные дыры"...
Эксперимент века должен решить множество проблем. Оттого-то физикам не терпится. Один из них выразился так: "Если уж протону суждено умереть, пусть он умрет у нас на руках и поскорей!"
А вот мнение Л. Окуня: "Если распад протона будет обнаружен экспериментально, то это надо будет рассматривать как особую благосклонность Природы к физикам". Ибо, продолжает ученый, "нам удалось бы заглянуть, как сквозь замочную скважину, в "горячую лабораторию" великого объединения". Поясним последние слова.
Ныне физики как бы пытаются по нескольким костям (распад протона) восстановить облик .древнего ящера.
А если говорить без риторических фигур, они хотят понять суть явлений, масштабы которых сейчас кажутся фантастическими.
Это мир расстояний порядка 10^-29 сантиметра, или, по-иному, мир частиц (они уже получили особое название: векторные Х- и Y-бозоны) с чудовищными массами в 10^15 mр, где mp - масса протона.
Пояснить дерзость этого научного предприятия можно так. Если когда-нибудь и будет построен ускоритель с радиусом, равным радиусу земного шара, то и тогда можно было бы наблюдать частицы всего лишь с массой (10^7- 10^8)mр. Если же мы во что бы то ни стало захотим добиться рождения Х- и Y-бозонов, то придется строить ускоритель длиной около светового года!
Теперь, надеемся, понятно, как заманчиво проникнуть в тайники природы окольными путями, не строя ускорителей, а изучая лишь распады протонов.
"Калибровочная" пустыня
И. Ньютон верил в простоту мира. "Природа довольствуется простотой, писал он, - и не любит пышности излишних причин". Однако "простота" И. Ньютона была позднее подправлена А. Эйнштейном, а сейчас многие физики считают, что и его уравнения также необходимо усложнить и модифицировать.
Можно ли считать простоту синонимом истинности?
Существует ли особый "принцип простоты"? Подобного рода вопросы не только философски интересны, но, возможно, имеют и практический аспект.
Допустим, есть две конкурирующие теории. Обе кажутся верными и требуют экспериментальной проверки.
Но эксперименты ныне стоят больших денег. Так вот, если бы простоту можно было бы измерять и если простота теории действительно увеличивает вероятность того, что наиболее простая из теорий самая верная, то, измерив простоту и проведя сперва испытание более простой теории, мы сразу же сэкономили бы немалые средства.
Мистика простоты явно сквозит в трудах многих признанных классиков науки. Мы не удивляемся, если самая простая гипотеза одерживает верх над соперницами.
Гелиоцентрическая система поляка Н. Коперника (1473-1543) гораздо проще объяснила суть истинного движения планет относительно неподвижных звезд, чем неуклюжая модель грека К. Птолемея (II век новой эры), включающая громоздкий набор небесных сфер.
Этот и другие примеры из истории науки настойчиво внушают мысль о простоте мира. И немало философов от науки усматривают тут стремление Природы к своеобразной экономии своих средств. Но, безусловно, все это спорные вопросы.
Что есть истина? Что такое простота? Как их строго определить? И можно ли? А что, коли в природе существует не один вид простоты, а несколько целая иерархия? Не следует ли к простоте относиться диалектически? Английский философ и математик А. Уайтхед (1861-1947) учил, что лозунгом каждого настоящего ученого должен быть: "Ищи простоту и не верь ей!"
Пример того, что простота может быть совсем не простой, приводит американский популяризатор науки М. Гарднер. Он вспоминает о серии комиксов "До нашей эры", где на одной из картинок показано, как пещерный житель изобрел квадратное... колесо.
Полуголый изобретатель рад, вот только пассажиры (колесо-то с углами) в претензии: зверски трясет! Тогда одетый в шкуры конструктор в муках рождает новый проект - "более простое" колесо треугольной формы.
Конечно, число "встрясок" за один оборот колеса сведено к минимуму, но очевидно, что древний новатор еще дальше ушел от идеала, от простейшего колеса - круга, у которого вовсе нет углов. И это вопреки тому, что круг представляет собой самое сложное изо всех колес - ведь это многоугольник с бесконечным числом углов!
А теперь вновь вернемся к проблеме распадающегося протона.
"Великое объединение" многое упрощает, сводя тройку сил к одной. Но какое это разочаровывающее упрощение! Нежданно-негаданно физики вдруг очутились в "калибровочной" пустыне. Они привыкли к тому, что каждое новое поколение ускорителей, каждое новое продвижение по шкале до сих пор открывало и новые физические явления. Количество неизменно и довольно быстро переходило в качество. А тут нате!
Сейчас экспериментально физики добрались до размеров 10^-16 сантиметра. Если протон смертен, им сразу откроются и масштабы, соизмеримые с 10^-29 сантиметра.
Они получат возможность заглянуть на 14 порядков вперед по длинам и энергиям! И на этпх громадных "пространствах" им не встретится, есть такие подозрения, ни одного существенно нового явления - пустыня!
Если протон развалится-таки, то этот эксперимент определит развитие физики высоких энергий на долгие годы. Он, как камертон, настроит физику на "дали", где видится предельная, минимально возможная в природе длина 10^-29 сантиметра.
В какой-то мере идейно физика как наука будет исчерпана, а физики, словно путешественники, начнут буксовать, как вездеход, тонущий в сыпучих барханах знойной пустыни.
Ощущение такое, пишет Л. Окунь, как если бы облака вокруг Земли были бы очень плотными и только наше поколение, прорвавшись сквозь них, вдруг впервые узрело бы далекие звезды и мертвые и пустынные космические дали. И человек отчетливо осознал бы, что между ним и ближайшей звездой космическая пустота.
