Юрий Чирков - Охота за кварками

Да, согласимся, потрясти непосвященных какой-либо физической загадкой непростое дело. Беда в том, что мало кто заинтересуется ответом на вопрос, который он сам не задавал.

Но давайте, как теоретики, проведем такой мысленный эксперимент: объявим публично (краткая заметка в газете, аннотация в научно-популярном журнале): "НЕБЫВАЛОЕ, НЕСЛЫХАННОЕ. Открыта новая элементарная частица, ЧАСТИЦА-ПРИВИДЕНИЕ!"

Думается, что такое сообщение вызовет уже определенный интерес. С привидениями все мы с детства на "ты", они прочно вросли в мир наших представлений, тут все понятно любому. И то, что в чуждом и малопонятном для нас мире элементарных частиц обосновались наши давние знакомцы, - факт отрадный, частицы-призраки будут всеми приняты с симпатией.

Все это шутка только наполовину. Вспомним про кварки. Ведь они, возможно, и тут поставили своеобразный мировой рекорд. Что, если это действительно совершенно новый тип частиц: если не призраков, то невидимок? Что, если и в самом деле обнаружить отдельные кварки принципиально нельзя?..

Кварки вошли в физику подобно троянскому коню.

Вначале мало кто верил в их реальность. Все воспринималось лишь как красимая теоретическая схема, временные строительные леса на пути к более совершенным и более серьезным теориям. Ну, просто курьез, выверт, игра воображения теоретиков!

Однако не успели физики оглянуться, как кварки проникли всюду. И сейчас без них просто невозможно обойтись (так же, как, например, в химии нельзя уже обойтись без атомов и молекул). И в то же время "поймать"

кварки никак не удается.

Вот и похоже на то, что кварки открыли в физике как бы новую страницу. Теперь некоторые частицы (из сословия элементарных), возможно, могут позволить себе роскошь отсутствовать в свободном виде, быть действительно частицами-призраками.

Квантовая шапка-невидимка

Вокруг кварков уже создана целая научная идеология, играющая ту же революционную роль в современной физике, какую квантовая механика играла в физике примерно полвека, а механика Ньютона - столетие назад. Возникла новая наука - квантовая хромодинамика. (Цветодинамика - так тоже можно ее назвать.) Понятие цвета в ней одно из важнейших.

Мы не собираемся -- складываем перо в смирении! - излагать читателю тонкости этой науки: задача это непростая, да, кроме того, уже написаны и статьи и книги (и научные и популярные). А будем двигаться к более простой цели последуем за мыслью теоретиков, послушаем, как они трактуют ненаблюдаемость кварков. Но вначале вновь поговорим о цвете.

Есть забавная детская игрушка - вращающийся диск с тремя цветными кружочками - красным, синим и зеленым. При вращении кружочки сливаются в сплошную белую полоску, поскольку красный, зеленый и синий тона в смешении (еще И. Ньютон этим занимался!) дают белый.

Этот волчок и поможет в какой-то мере раскрыть секрет, отчего экспериментаторы не наблюдают цветных частиц, а видят их лишь белыми, хотя внутри адронов замурованы цветные кварки. Почему по не вполне понятным мотивам природа и мы вместе с ней обязаны быть дальтониками! Заметим, кстати, насколько завязли мы в месиве абстракций. Ведь, строго говоря, цвета кварков к обычным цветам и краскам никакого отношения не имеют! Но продолжаем.

По воззрениям теоретиков, часть адронов (барионы), состоящих из трех кварков, содержит каждый цвет по одному (один кварк красный, другой зеленый, третий - синий), поэтому в целом барион "выглядит" бесцветным.

В мезонах же и кварк и антикварк одного цвета. Однако (тонкая штучка!) цвет у мезона непрерывно меняется - треть своей жизни мезон красный, другую треть - зеленый, третью - синий. Так что и мезон в целом также оказывается бесцветным.

А почему мы не можем вытащить из адрона отдельный цветной кварк? Виноваты силы, действующие между кварками. И здесь природа проявила много выдумки.

Как показали хромодинамические расчеты, когда кварки находятся близко друг от друга, силы эти очень слабы, но они быстро увеличиваются, если мы попробуем кварки разъединить.

По закону Кулона (школьные знания), сила между двумя зарядами уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Подобному же закону подчиняется и сила тяготения. Так что при достаточном разведении друг от друга зарядов или масс этими силами можно пренебречь. А в квантовой хромодинамике все не так: сила не уменьшается с расстоянием, а остается постоянной.

Поэтому-то разделение кварков требует колоссальных энергетических затрат. Полагают, этой энергии было бы достаточно, чтобы поднять автора этих строк на 20 метров над поверхностью Земли!

Но, даже затратив этакую махину энергии, цели (уединенный кварк) мы все равно не добьемся. Задолго до того, как такой энергетический уровень будет достигнут, начнут действовать другие процессы. И энергия, вкладываемая на отделение кварка, материализуется в пару:

кварк - антикварк. При этом новый кварк заменил бы тот, который мы пытались выудить, скажем, из протона, и восстановил бы протон в прежнем состоянии. А новый антикварк "прилип" бы к удаляемому кварку, образовав мезон. И в результате все будет выглядеть так, будто кварк так и остался на месте и как бы "из ничего" родился бесцветный (условия игры соблюдены!) мезон. (Все это похоже на то, как если бы мы попытались получить лист бумаги, имеющий только одну сторону! Или еще на то, что мы силимся оторвать от магнита один из его полюсов. Многие из нас еще в школо хотели сделать ото и убеждались в тщетности своих усилий: всякий раз получаются два магнита и оба с двумя полюсами.)

Вот она, шапка-невидимка для кварков! Похоже, эти частицы сидят в особом квантовом мешке и никак не могут оттуда выбраться.

Слово "мешок" (еще один образ) не произвол автора, а вполне рабочее понятие у тех, кто колдует с формулами квантовой хромодинамики в руках. (Говорят также еще о "вечном заключении", "инфракрасном рабстве"...)

Из-за математических трудностей точные расчеты физикам-теоретикам пока недоступны, но они не унывают:

строят качественные модели удержания кварков в адронах, создают модели "мешков", или "кварковых мешков".

Физики, которые их разрабатывают, получили даже шутливое прозвище "мешочники".

Сейчас существует модель "дубненского мешка" (советские физики-теоретики из города Дубны были в этом деле первыми), "мешка Массачусетского технологического института" (США), хорошо известен "будапештский мешок". Есть, конечно, "мешочники" и в других странах...

* * *

Говорят, природа - oiкрытая книга. Как бы не так!

Теперь мы знаем: некоторые страницы в ней как бы склеены (глюоны), так что прочесть их (кварки), возможно, никогда не удастся. Нет, содержание текста мы непременно узнаем, нельзя будет лишь самолично пробежать строчки глазами, оценив каллиграфическое (или типографское, если хотите!) мастерство природы.