Юрий Чирков - Охота за кварками
Предполагалось, что к концу этого века должна быть создана единственная Всемирная лаборатория, в которой будут представлены физики всего мира. Однако для этого необходима благоприятная международная политическая ситуация.
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, t ш, 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? Ч го 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. Огш дали замечательный результат: в среднем суммарный заряд ппонной струи оказался равным плюс 2/з 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" (хромопы обусловливают цвет кварков, они имеют красный, желтый, синий цвета, есть и бесцветный хромон). Другие теоретики толкуют о "ришонах", "гпперглюонах", "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^-16 сантиметра, 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,
