Юрий Чирков - Охота за кварками
В двух словах пузырьковую камеру можно представить как камеру Вильсона "наоборот". Вместо капелек жидкости в пересыщенном паре теперь исследователи имеют дело с пузырьками пара в перегретой жидкости.
Жидкость мгновенно вскипает вдоль трека ионизирующей частицы и отмечает его гирляндой мелких пузырьков газа.
Когда пузырьки в камере достигают значительных размеров, камера освещается и следы (они имеют микронные толщины) фотографируются (стереофотосъемка с помощью 2-4 объективов). После фотографирования давление в камере поднимается до прежней величины, пузырьки при этом исчезают, и камера вновь оказывается готовой к действию. Весь цикл работы пузырьковой камеры составляет величину порядка 1 секунды.
Эволюция пузырьковой камеры - от рождения до нашпх дней - весьма примечательна и характерна. Методические усовершенствования шли гигантскими темпами:
началось все с "сургуча и бечевки" (обычное выражение физиков, когда они хотят подчеркнуть, что в прошлом выводили законы с помощью самых простых средств), а закончилось дело тоннами и тоннами материала.
Примером современной установки может служить созданная во Франции для совместной работы с советскими физиками водородная камера "Мирабель", установленная на ускорителе Института высоких энергий АН СССР под Серпуховом. Ее объем 10 кубических метров, общий вес движущихся частей достигает 2 тонн, а стоит она миллионы. Создание подобных устройств - уже дело государственного и даже межгосударственного масштаба.
К чему такие гиганты? Они себя оправдывают, это легко доказать. Заполняющий камеру "Мирабели" жидкий водород представляет собой хорошую (простую и однородную) мишень для частиц, врывающихся в камеру из космоса или из "жерла" ускорителя. Тут пузырьковая камера решительно одерживает верх над ядерными фотоэмульсиями - этим винегретом из водорода, углерода, азота, кислорода, брома и серебра. (Работающие с ядерными эмульсиями физики всегда спорят о том, в какое именно ядро попала частица с высокой энергией.)
Достоинство большого объема камеры в том, что теперь можно следить за ядерными событиями - за последовательными этапами распада частиц - на протяжении многих метров, а также регистрировать очень редкие процессы (рождение кварков?), представляющие для науки огромный интерес.
Но гигантизм выставляет и свою оборотную, негативную сторону: обработать информацию, даваемую пузырьковой камерой, нелегко.
Дело прежде шло так. Сначала лаборанты просматривали все полученные фотографии и отбирали те из них, где достаточно много "вилок". Отобранные снимки поступали затем на измерительные микроскопы. Все увиденное приборами автоматически засылалось в память ЭВМ.
Но на изучение каждой фотографии даже современная электронно-вычислительная машина тратит немало времени. Вот и получается, что с помощью даже пузырьковых камер практически невозможно исследовать очень редкие события, которые случаются, скажем, раз за сто тысяч взаимодействий, вылетающих, к примеру, из ускорителя частиц с веществом камеры. И сейчас физики хотят совсем исключить человека из системы обработки поступающей из камеры информации. Автоматизировать все.
Да, созданные человеком приборы сами стали проблемой. И изумленный их быстрым ростом изобретатель пузырьковой камеры американский физик Д. Глейзер мог с полным основанием сказать: "Приборы стали очень большими, они отбились от рук..." Добавим еще, что, получив за свое изобретение Нобелевскую премию по физике в 1960 году, Д. Глейзер тут же в интервью журналистам заявил, что его научные интересы изменились: он покидает ядерную физику и отныне займется молекулярной биологией.
Поиск ведут кварколовы
Вооруженные современными приборами (а мы рассказали только о некоторых из них, стоило бы еще поговорить о сцинтилляционных и черепковских названы в честь советского физика, лауреата Нобелевской премии академика П. Черепкова - счетчиках, об искровой камере и других чудесах экспериментальной техники), физики продолжали поиски кварков.
Если протон действительно состоит из трех кварков, надо его расколоть, как орех, и сделать это можно при ускорении частиц на мощных ускорителях. Свыше 50 таких тщательных и остроумных экспериментов было поставлено. Но, увы, результат оказался нулевым.
Конечно, можно предполагать, что энергии ускорителей недостаточно. "Скорлупа", дескать, протона или нейтрона так толста, что разбить ее пока не удается. Что же, тогда стоило бы поискать кварки в космических лучах, где энергия частиц может быть практически любой.
Искали и в космических лучах, и поиски эти были отмечены драматическими моментами. Отдельные группы ученых уже считали, что ими пойманы частицы с дробными зарядами.
Счетчики американцев - группа Адейра - полгода (!) свидетельствовали о попадании в них кварков. А потом? Перестали свидетельствовать, и ведут себя так же и до сего дня.
К ловле кварков подключились и астрономы.
Есть звезды, излучающие частицы очень высокой энергии. Эти последние могли бы способствовать образованию заметного количества кварков. Надежда была на то, что при этом возникнут (правда, в небольших количествах) "кварко-атомы": в них вокруг протона вращался бы уже не электрон, а отрицательно заряженный кварк.
Такие атомы должны излучать спектр, похожий на спектр водорода, но самая интенсивная линия этого спектра будет уже ультрафиолетовой (длина волны около 2750 ангстрем).
Астрономы надеялись, что так же, как столетие назад они обнаружили "солнечный газ" - гелий - сначала на небе (лишь потом гелий был открыт на Земле), так и кварки тоже окажутся "небесными пришельцами".
Астрономы надеялись, но сейчас, видимо, надежду потеряли.
И наше родное Солнце обмануло ожидания астрономов. В его спектре были обнаружены линии, которые хотелось бы приписать присутствию кварков, однако вскоре нашлось и другое, более простое и правдоподобное объяснение.
Ученые искали кварки и в ближнем космосе (изучались образцы лунных минералов, метеориты, исследованиями занимались космонавты на орбитальных станциях), и в совсем дальнем.
Думалось так: раз наша Земля, и Солнце, и Млечный Путь, все это результат сложной эволюции Вселенной, то, возможно, когда-то не было и протонов с нейтронами, а были только кварки. А уже потом из них образовалась материя, что окружает нас, но часть кварков - "реликтовые кварки" - не смогла воссоединиться в троицы.
Вот ловлей этих чудищ, сохранившихся в первозданном виде (они не смогли "выгореть" и превратиться в нормальные частицы), и занимались ученые.
К реликтовым кваркам следует добавить и те, которые могут образоваться, когда потоки космических лучей встречаются с веществом нашей планеты. Как ни малы тут шансы, все-таки Земля уже миллиарды лет подвергается воздействию космических лучей, если кварки существуют, они - как создания стабильные: распасться им уже не на что! - должны накапливаться в окружающем нас веществе.
Где искать кварки? В земной тверди, в воде океанов, в атмосфере?
Если доля кварков в веществе очень мала, их надо предварительно концентрировать. И были предложены разные проекты по обогащению океанической и иной кварковой "руды".
Химики и геохимики тоже включились в кварковые поиски. Надежда была на то, что кварки в принципе могут очень охотно соединяться с определенными химическими элементами. Не будут ли тогда залежи, в которых эти элементы встречаются особенно часто, и залежами кварков?
Исследовались и образцы осадочных отложений, взятых со дна океана: считалось, что массивные кварки должны скопиться там. Изучались даже раковины устриц, но и это не принесло желанного результата.
К стану кварколовов примкнули и биологи. Известно, что некоторые растения могут накапливать в своих тканях и клетках редкие элементы, рассеянные в окружающей среде в мизерных количествах (этой способностью отличаются, кстати, и многие представители фауны).
В северной Финляндии, например, есть лишайники, накапливающие стронций-90 (этот радиоактивный изотоп образуется при делении урана). Быть может, стоит поискать и растения - накопители кварков?
Предложений было немало. Попыток их реализации (конечно, наиболее активными были физики) также оказалось предостаточно. Но после завершения каждой такой акции неизменно звучал неприятный рефрен - "нет".
Это суровое слово, конечно, не перечеркнуло кварковой гипотезы, но и не способствовало укреплению ее позиций.
Правда, один положительный итог поиски кварков дали. Было совершенно точно установлено, что если свободные кварки и существуют, то концентрация их в веществе ничтожно мала: не превышает 10^-18-10^-20 доли от общего числа протонов и нейтронов (по некоторым данным кварков еще меньше: 10^24-10^-30!).
Космические разбойники
Тщательные поиски кварков ведутся вот уже два десятилетия. Большой для современной физики срок! Однако до спх пор никто уверенно ни одного кварка так и не "увидел".
