Юрий Чирков - Охота за кварками
Р = ррп и N = рпп.
Схема кварков легко и просто объясняет, почему заряд протона единичный и положительный ( + 1), а у нейтрона заряд нулевой (0). Непосредственная проверка дает для протона (смотри только что приведенные выше равенства):
(+2/3) + (+2/3) + (-1/3) = +1
А для нейтрона имеем:
(+2/3) + (-1/3) + (-1/3) = 0.
Из кварков конструируются и наблюдающиеся в природе - об этом говорилось выше - синглеты, октеты и дециметы элементарных частиц. Так, группа из десяти частиц в кварковом "изображении" будет иметь такой вид:
_____________ЛЛЛ_____________.
________рЛЛ_______nЛЛ________.
____ррЛ_____pnЛ_______nnЛ____.
PPP____ppn_______Pnn______nnn.
Секрет построения этой пирамиды донельзя прост.
Мы последовательно перебираем все возможные комбинации троек, состоящих из элементов р, п и А,. Каждая из троек представляет собой элементарную частицу:
в обычном - не кварковом - изображении мы получим такую таблицу:
__________________Q-__________________.
__________Z0*____________Z-*__________.
_____Z+*_________Z0*_________Z-*______.
_Д++______Д+___________Д°_________Д-__.
Это эквивалент первой пирамиды, где знаками плюс, минус и ноль обозначены заряды элементарных частиц, а звездочки говорят о том, что помеченные ими частицы "возбужденные".
Не будем больше анализировать кварковые конструкции. Отметим лишь, что вершину указанных пирамид венчает омега-минус-гиперон и что в момент, когда эта частица "родилась" на бумаге (1963), было известно:
А - резонансы и возбужденные частицы действительно обнаруживаются в экспериментах, а вот A~ никто не наблюдал. Так что предсказание омега-минус-гиперона стало двойным вызовом: и экспериментаторам - ищите! и теоретикам - если такой частицы нет, плохи ваши дела!
Теоретики сказали свое слово, и им оставалось просто ждать, а вот экспериментаторы немедленно принялись за дело.
И научное чудо свершилось. В 1964 году омега-минусгиперон была обнаружена.
Теория кварков и М. Гелл-Ман оказались правы:
2~- частица существовала! Успех был полным.
В 1969 году М. Гелл-Ман стал нобелевским лауреатом.
2
Ядерное сафари
Погоня за зверем, на которого ты давно и страстно мечтаешь поохотиться, хороша, когда впереди много времени и каждый вечер после состязания в хитрости и ловкости возвращаешься хоть и ни с чем, но в приятном возбуждении, зная, что это только начало, что удача еще улыбнется тебе и желанная цель будет достигнута.
Эрнест Хемингуэй. Зеленые холмы Африки
Датский физик Н. Бор, создавший первую теорию атома, возглавлявший в первой четверти нашего века титанические усилия ученых по разработке основ квантовой механики, очень любил рассказывать такую историю.
Некий английский лорд как-то расхвастался своими необыкновенными подвигами, якобы совершенными им при охоте на львов. Одна из слушательниц, молодая девушка, не выдержав, спросила его напрямик, сколько же львов он убил.
- Ни одного, - спокойно ответствовал рассказчик.
- Разве это не слишком мало? - ехидно заметила девушка.
И это замечание нисколько не смутило лорда-охотника, он невозмутимо парировал:
- Только когда речь идет не о львах!..
Подобное можно было бы сказать и про результаты научной охоты за кварками: они оказались настоящим львом микромира!
Золотыми буквами
В декабре 1934 года маленькая охотничья экспедиция - американский писатель Э. Хемингуэй, его жена, друзья и следопыты-африканцы - выехала из Момбасы (Восточная Африка, порт в Кении на побережье Индийского океана) и двинулась на северо-запад через плато Серенгеттн, откуда повернула на юг, к озеру Маньяра.
Путешествуя по Африке, Э. Хемингуэй и его спутники охотились на самых разных зверей - львов, леопардов, антилоп, носорогов, газелей.
Позднее в книге "Зеленые холмы Африки" писатель очень ярко и точно описал все подробности этой охоты.
Этой книгой Э. Хемингуэй провел своеобразный писательский эксперимент: он попытался создать "абсолютно правдивую книгу", не используя при этом ни одного вымышленного образа или события. И преуспел в этом.
Жаль, что, когда - в середине 60-х годов - началась (продолжается она и поныне) экспериментальная охота за кварками, в ней не принял участия какой-нибудь писатель ранга Э. Хемингуэя, который поставил бы себе целью выяснить, может ли правдивое изображение научных событий - без прикрас и без разговоров о любви главных героев! - "соперничать с творческим вымыслом".
(Конечно, охота обычная и охота научная не одно и то же. Э. Хемингуэй прекрасно владел ружьем, бил птицу и зверя без промаха, поэтому он мог фиксировать и потом запечатлеть в книге даже самые мельчайшие детали охоты. Представить же писателя, который мог бы стать полноправным участником физических экспериментов, да при этом держал бы в голове все хитросплетения теоретических нитей, да еще бы виртуозно владел словом, представить себе такого писателя трудно.
Но это вовсе не означает, что в будущем не появятся научные Хемингуэи, способные осуществить экспедицию в любой, самый удаленный уголок микромира и убедительно, с полным знанием дела, красочно рассказать об этом, даже если охотиться им придется за "звврьми", не уступающими кваркам по изворотливости и неуловимости.)
...В те жаркие 60-е годы кварками интересовались не только физики геологи, биологи, химики тоже часто произносили это слово. Но, понятно, особенно волновались и суетились, принимая все это слишком близко к сердцу, научные журналисты. Они жадно прислушивались к свежим новостям, вникая, казалось бы, в неуместные подробности, судорожно перелистывали даже сверхспециальные статьи научной периодики в надежде, что наконец-то промелькнет сенсационное сообщение.
Тема кварков властно захватила тогда многих.
А ситуация оставалась противоречивой.
Нетерпеливые и скорые на мысль теоретики уверенно (и с каждым днем все более: их схемы работали все лучше и лучше) говорили "да": кварки должны, просто обязаны были существовать в природе. Теоретикам возражали экспериментаторы. Более спокойные и не торопящиеся с окончательными выводами, они твердили "нет":
пока в экспериментах обнаружить кварки никак не удавалось.
"Рождение", "выживание" или "гибель" гипотез при их столкновении с данными опыта - дело в науке довольно обычное. И никто не станет пенять теоретику, если его научная версия не оправдалась. Гораздо сложнее положение экспериментатора: ошибаться ему не след, хоть такое и случается порой. С экспериментатора спрос больше, но зато ему больше и веры.
Вообще, заметим, что в неразлучной паре "теория - эксперимент", как бы результативна и плодовита ни была теоретическая мысль, все же считается, что решающее слово остается за экспериментатором - он ближе к природе!
На этот счет у физиков есть такая шутка. Они говорят, что различие между теоретиком и экспериментатором заключается в том, что результату теоретика обычно не верит никто, кроме него самого, а результату экспериментатора обычно доверяют все, кроме самого экспериментатора.
"Нет", - в вопросе о существовании кварков слово экспериментаторов было решающим. Какие тут могут быть разговоры! Для доказательства есть только один путь: кварки необходимо было представить научному миру, так сказать, живьем.
Кварки, какая бы это была ценная добыча! Пойманные кварки очень быстро перекочевали бы со страниц узкоспециализированных научных журналов в монографии. Потом в текст университетских и вузовских лекций. Затем и в школьные учебники. О кварках, об этом фундаменте материи, громогласно возвестило бы радио, их показывали бы (в рисунках, схемах) по телевидению, о них рассказывала бы многочисленная армия лекторов, их бы разобрали по .винтикам и вывернули бы наизнанку популяризаторы науки.
А такой чести удостаивается не каждое научное достижение. Открытий в наш век сделано слишком много, о всех не расскажешь. Но кварки! Открытие кварков стало бы подлинным триумфом науки. Оно было бы записано в ней золотыми буквами, попало бы во все учебники и, несомненно, осталось бы в них на ближайшие, скажем, сотни лет.
Опыт Милликена
Итак, очень многие жаждали поймать хотя бы один кварк. И дело это вроде бы не должно было доставить много хлопот: кварки же ведь существа весьма экзотичные, и выделить их будет несложно.
Главное - у кварков дробный электрический заряд (дробным, кстати, является и их барионный заряд; + 1/3), что и должно существенно облегчить их наблюдение. Эта дробность не позволяет им исчезнуть: распасться на обычные частицы (электроны, например), обладающие целым или нулевым зарядом. Иначе нарушился бы закон сохранения зарядов - один из краеугольных камней физики. Все эти рассуждения значили одно: кварки должны быть стабильными частицами. Если они существуют, то должны быть везде.
И их, как только была выдвинута кварковая гипотеза, принялись искать повсюду - на поверхности Земли, в океанах, в космических лучах, на ускорителях элементарных частиц.
