Юрий Чирков - Охота за кварками

Р = ppn и N = pnn.

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):

(+⅔) + (+⅔) + (-⅓) = +1

А для нейтрона имеем:

(+⅔) + (-⅓) + (-⅓) = 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:

_____________λλλ_____________.

________рλλ_______nλλ________.

____ррλ_____pnλ_______nnλ____.

ppp____ppn_______pnn______nnn.

Секрет построения этой пирамиды донельзя прост.

Мы последовательно перебираем все возможные комбинации троек, состоящих из элементов р, п и λ. Каждая из троек представляет собой элементарную частицу: в обычном — не кварковом — изображении мы получим такую таблицу:

__________________Q-__________________.

__________Z0*____________Z-*__________.

_____Z+*_________Z0*_________Z-*______.

_Д+*______Д+___________Д0________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: λ — резонансы и возбужденные частицы действительно обнаруживаются в экспериментах, а вот λ~ 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-минус-гиперон 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.

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 «зверьми», 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; +⅓), 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.