Юрий Чирков - Охота за кварками
И их, как только была выдвинута кварковая гипотеза, принялись искать повсюду - на поверхности Земли, в океанах, в космических лучах, на ускорителях элементарных частиц.
Но, допустим, кварк у нас в руках: в той горстке материи, что мы держим. Как отличить его от других частиц? Какой для этого использовать метод?
И здесь вспомнили про то, как был измерен заряд электрона. Сделал это в 1911 году американский физикэкспериментатор Р. Милликен (1868-1953).
Р. Милликен был ученым с некоторыми странностями. Он один из немногих, кто упорно пытался примирить религию и науку. В колледже (другой пример эксцентричности) он специализировался по греческому языку и в физику влюбился только в университетские годы. Но уж зато экспериментатором Р. Милликен был первоклассным.
Дж. Томсон, мы помним, открыл электрон, а вот измерил его заряд, да еще с прецизионной точностью, именно Р. Милликен. За это в 1923 году он был удостоен Нобелевской премии. Его опыт был элегантен, красив, точен, наивно прост и стал добротной классикой. Ученый изучал падение заряженных капелек в электрическом поле конденсатора.
Опыты эти были начаты в 1906 году. Вначале бралась крохотная электрически заряженная водяная капелька.
Вниз ее тянуло поле тяжести, вверх - электрическое поле.
Неудача первых опытов состояла в том, что ничтожно малые кайли воды быстро испарялись, и уменьшение их веса вносило погрешность в расчеты. Поэтому в 1911 году ученый начал экспериментировать с каплями масла: тут испарение уже не вносило больших осложнений.
Капельки масла (проводились и опыты с ртутными шариками) у Р. Милликена были настолько легкими (они весили 10^-11 - 10^-12 грамма), что изменение их количества электричества всего лишь на один электрон (тоже лилипут: его заряд 10^-19 кулона) уже заметно влияло на скорость их падения.
Заряжение капель производилось их облучением X (икс)-лучами (так вначале называли лучи Рентгена).
При этом менялся электрический "вес" капельки: капли начинали падать быстрее пли медленнее. В определенных условиях их можно было заставить даже подниматься вверх.
Минимальное изменение в движении капли было обусловлено прибавлением пли вычитанием уже далее неделимой порции заряда. Ее (заряд электрона) и вычислил Р. Милликен, окончательно доказав атомарную (корпускулярную) природу электричества.
Эти опыты и вспомнили прежде всего, когда начались энергичные розыски кварков. А обнадеживало тут вот что. Сам Р. Милликен однажды наблюдал капельку с количеством электричества, равным 2/з заряда электрона!
Этот необычный резулыаг показался ученому подозрительным, он его просто отбросил, посчитав, чю в опыт закралась какая-то погрешность. Лишь спустя годы в одной из своих статей Р. Миллнкен вскользь упомянул об этом наблюдении. Значит, он наблюдал кварки?
Кто знает. Мнения тут разделились. Многие считали, что условия проведения эксперимента не давали ему на это никаких шансов. Кварки звери довольно редкие.
Повстречать их непросто. А капельки у Р. Милликена были очень маленькими: вероятность того, что в капельке спрятан кварк, становилась ничтожной.
Но из последних рассуждений следовал и обнадеживающий для поисков кварков вывод: капли (пли частицы вещества) надо брать покрупнее, и еще желательно было бы их предварительно обогащать кварками. Ну н, естественно, надо использовать аппаратуру в миллионы раз более чувствительную, чем та, что была у Р. Милликена.
Тогда и можно рассчитывать на успех.
Подобно "гробу Магомета"
И физики немедленно впряглись в поиски. Работа велась одновременно во многих странах.
В США (Стэнфордский университет) группа исследователей измеряла заряды маленьких сверхпроводящих шариков диаметром около 0,1 миллиметра, заставляя их осциллировать, совершать колебания, в переменном электрическом поле. Величина осцилляции зависела от электрического заряда шарика. Это была рафинированная версия опыта Р. Милликена.
Американцы сообщили радостную весть. В прибор один за другим помещали 9 маленьких шариков из ниобия, на 3 из них исследователи нашли заряд, равный одной трети. Эти заряды можно было удалить, промывая шарики ацетоном. Заряд исчезал или появлялся и в результате электрического разряда. Похоже, кварки находились на поверхности шариков. Кварки наконец обнаружены?
Вряд ли. Достоверность этих результатов осталась под сомнением. Вполне возможно, что тут играли роль какието неучтенные особенности эксперимента. К примеру, шарики ведь должны быть абсолютно круглыми, симметричными не только по форме, но и по своему составу.
Иначе неоднородность сказалась бы на равновесии шарика, а значит, и его заряде. Но в том, что шарики круглы, можно убедиться с помощью микроскопа. Однородность же объемных свойств проверить уже гораздо труднее.
А она приводит к погрешностям в расчетах, что и может выглядеть как дробный заряд.
При суждении об опытах американцев настораживало и то, что попытки повторить их "успех" в аналогичных исследованиях, проводившиеся в других странах, потерпели неудачу.
В СССР поиски кварков схожим с милликеновским способом велись в МГУ под руководством академика Я. Зельдовича и профессора В. Брагинского. Исследовались частицы графита, весящие во многие тысячи раз больше больше вероятность встретить кварк! - чем капельки у Р. Милликена. В такой "махине", как рассчитали теоретики, кварки уже вполне можно было бы встретить (если, конечно, они есть в природе!).
Частица графита в экспериментах висела между полюсами электромагнита, поле которого создавало земную невесомость: неоднородность поля (его градиент) компенсировала силу земного притяжения. И графитовые крупинки бказывались подвешенными между пластинками конденсатора подобно левитирующему йогу, висящему в воздухе безо всяких опор.
Теперь на парящую в воздухе частицу направляли поток рентгеновских лучей, чтобы ее зарядить. Потом включали еще и электрическое поле.
Заряженная частица в электрическом поле должна немного сместиться. Это смещение и интересовало экспериментаторов. А гораздо больше их заботило, будет ли смещение соответствовать заряду Vs или заряду еще какого-нибудь числа с тройкой в знаменателе.
Дальше события развивались, как в добротной мелодраме. Недолгое счастье сменилось унынием. Вначале в серии из 17 измерений трижды наблюдались кваркоподобные смещения графитового тельца. То же повторилось и в видоизмененной серии опытов. И все же кварки тогда найдены не были.
Частица графита, висящая в магнитном поле, подобно легендарному гробу Магомета, обладала дипольным электрическим моментом. Его взаимодействие с неоднородным электрическим полем, смещающим частицу, и явилось причиной этого научного недоразумения. Когда экспериментаторы нашли наконец способ сделать электрическое поле совершенно однородным, коварный дипольный момент перестал влиять на результаты опытов.
Но при этом исчезли и кварки, точнее, те смещения, которые до этого свидетельствовали, казалось, об их присутствии. И исчезли уже навсегда.
Открытие и закрытие. Иногда их делают разные исследователи: одни открывают, другие закрывают.
Чаще же "закрывание" осуществляют сами "открыватели". Так было и в случае, о котором мы только что рассказали.
Хотя и бывают порой "закрытия" ценные, "закрытия", восстанавливающие истину, спасающие науку от заблуждений, ложных дальнейших шагов, - цена их явно неравнозначна открытию. "Золото" найденного сверкает и слепит, веселя сердце первооткрывателей, помогая им быстро забыть всю тяжесть усилий, потраченных для достижения победного результата.
Иное при "закрытии". Здесь трудности часто те же - отрицательность результата не уменьшает их ни на йоту.
Ученые тратили последние силы, рискуя здоровьем, а то и самой жизнью (и такое бывает!). А что могут получить взамен? Разочарование, иронические замечания коллег, потерю веры в собственные силы, апатию. Не только победных возгласов не услышат, но даже просто опубликовать отрицательный результат не всегда смогут. В лучшем случае где-нибудь, как бы ненароком, в сносках, в примечаниях удастся упомянуть про кусок научной жизни, отданный такой неблагодарной работе.
Следы невиданных зверей
Когда высоко в небе пролетает реактивный самолет, он оставляет за собой постепенно расплывающийся след - облачко кристалликов льда. Сам самолет часто невидим, и его присутствие выдает лишь оставленный им белый пушистый хвост. Глядя на этот след, мы можем думать о чем угодно, но только не об элементарных частицах.
А напрасно! Многие сведения о микромире ученые получили, как раз разглядывая следы, подобные следу самолета в небе. Оказывается, точно таким же способом и микрочастица может тропить свой путь.
Но следы, невольно выдавая охотнику свое присутствие, оставляет и зверь в лесу. Так вновь пересекаются охота лесная и охота ядерная. По этому поводу можно было бы даже сочинить небольшое эссе. В нем нашлось бы место и для особых заповедей, отличающих охоту ученую от охоты обычной. Тут пришлось бы перечислить пункты вроде таких:
