Охота за кварками - Чирков Юрий Георгиевич

В 1965 году в журнале «Успехи физических наук» академик Я. Зельдович пишет статью «Классификация элементарных частиц «в изложении для пешеходов». Уже само название подчеркивало: теперь тонкости микромира можно просто и ясно объяснить любому встречному, даже ребенку.

Академик писал в статье, что, возможно, физики добрались до атомизма нового типа, вскрыли, так сказать, новый пласт материи. Что создано нечто вроде новой таблицы Менделеева, только уже на субъядерном уровне.

Тон статьи был мажорный, радостный. «Современный физик имеет полное право повторить строки Ф. Тютчева», — писал Я. Зельдович, и цитировал их:

Омега-минус-гиперон

Не следует, однако, думать, что концепция кварков была сразу встречена физической общественностью с распростертыми объятиями. Вовсе нет! Как и все действительно новое и оригинальное, поначалу кварки были встречены в штыки. Научные журналы даже отказывались публиковать эту модель. Работы, где фигурировали тузы и кварки, казались не более чем теоретическим фокусом.

Всего более поражало в кварках то, что они обязаны были обладать… дробным зарядом! Вот этот психологический барьер физикам было труднее всего преодолеть.

Как же так? До этих пор считалось само собой разумеющимся, что заряд электронов (или равные ему с обратным знаком заряды протона или позитрона) — это и есть наименьшая возможная порция электричества, нерушимая, казалось, и неделимая. Но кварки потому и кварки, что для них невозможное стало возможным: одному из кварков совершенно необходимо было приписать заряд плюс ⅔, двум другим кваркам — заряд минус √s.

Первоначально упоминание о дробях как о частях прежде неделимого электрона просто шокировало. Мерещилось нечто вроде полсобаки или собачьего хвоста, лапок, живущих самостоятельной жизнью. Вспоминался и гоголевский Нос, разгуливающий по Невскому проспекту микрофизики.

Понадобилось некоторое время, чтобы ошеломленным физикам кварки стали напоминать уже не тявкающий хвост, а нечто гораздо более тривиальное маленькую (меньше, чем электрон!) собачку, и все. Почему бы ⅓ заряда электрона (на данном этапе развития физики) и не быть самым крохотным зарядом? Почему не предположить, что в электроне как раз и собралась троица таких необычных электрических элементов?

Кстати, заметим, кроме кварков, должны существовать еще и антикварки. Поэтому полный спектр кварковых зарядов есть +⅓ и — ⅓, +⅔ и — ⅔.

Надо понимать еще и то, что кварки меж собой различаются не только зарядами, но и другими свойствами.

Поэтому главной троице кварков, кроме общей «фамилии», следовало — и это было сделано — присвоить и отдельные «имена».

Правда, имена эти пока еще не отстоялись окончательно: называют кварки по-разному: говорят о р-, п-, λ-кварках (от слов «протон», «нейтрон» и «лямбда-частица»). Их обозначают и как u, d и s (первые буквы слов up верхний, down — нижний, strange — странный). Еще — совсем в духе Д. Джойса! — кварки называют парком (р), нарком (n) и ларком (λ).

В этих именах-обозначениях очень красиво выглядят наши старые знакомцы протон (Р) и нейтрон (N) — будем обозначать их большими буквами, чтобы отличать от кварков (строчные буквы). По классификации М. Гелл-Мана и Г. Цвейга:

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.