Александр Потупа - Бег за бесконечностью

Дело в том, что по крайней мере один из кварков должен был оказаться стабильным, и в силу закона сохранения электрического заряда его дробный заряд можно было бы обнаружить даже после всевозможных взаимодействий этого кварка с обычными частицами вещества. Именно поэтому физики уделяли большое внимание поиску кварков с дробными зарядами и в макроскопических кусках вещества.

Более того, физики обратились к анализу истории наблюдаемой вселенной и к исследованию строения звезд. Уже в 1965 году — всего через год после появления гипотезы кварков — советские теоретики Я. Зельдович, Л. Окунь и С. Пикельнер опубликовали большую статью под названием «Кварки: астрофизический и физико-химический аспекты». В этой работе были даны оценки допустимой плотности реальных кварков в связи с самыми различными возможностями их существования. Вывод был не слишком утешителен; кварков должно быть в 109-1018 раз меньше, чем нуклонов. Последующие теоретические и экспериментальные работы в основном подтвердили это заключение. Кварки, даже если они и существуют в виде отдельных частиц, — редчайшие «звери». Число нуклонов должно, по крайней мере, в тысячи миллиардов раз превышать число кварков.

И уж конечно, трудно перечислить все эксперименты по поиску кварков в потоках космических лучей и среди миллионов событий, полученных на крупнейших ускорителях мира. В программах «Серпухова» и «Батавии» кварковый эксперимент стоял на первом месте — еще только «прогревая» синхротроны для долгосрочной работы, физики пытались отыскать в регистрирующих устройствах следы дробно-заряженных частиц. Упорное нежелание кварков предстать пред нетерпеливыми взорами экспериментаторов стало вызывать тревожные размышления.

Как бы то ни было, а гипотетическиз частицы оказались предельно экономичным средством для «сборки» любого известного адрона. Поэтому сначала даже некоторые существенные неясности в отношении природы сил, связывающих кварки, не могли поколебать безграничной веры большинства физиков в их реальность. В пользу сторонников реальных кварков свидетельствовали и известные нам исторические аналогии.

Вспомните, заявляли они, сколько добрых дел успел совершить протон задолго до своего настоящего открытия. А за 15 лет до экспериментальной регистрации пи-мезона была правильно описана структура атомных ядер, причем ядерный квант до сих пор не раскрывает многих своих тайн. А сколько лет отделяет тюбингенское послание В. Паули от занесения в таблицу элементарных частиц «короля конспирации» нейтрино? А разве не пытались некоторые физики всего за три-четыре года до открытия антипротона придумать уродливую антивселенную с одними позитронами? Да что уж там маленькие сроки, каких-то 15–20 лет, продолжали они, атомистическая гипотеза дожидалась доказательств два с половиной тысячелетия! А ведь все успехи молекулярно-кинетической теории теплоты в прошлом веке связаны именно с атомистическими представлениями. Теперь же, изучив атомно-молекулярный, ядерный и «элементарно-частичный» уровни строения вещества, мы стоим на пороге нового, еще более глубокого уровня, и стоит ли предаваться сомнениям относительно реальности кварков, которые вот-вот окажутся превосходным примером предоткрытия?

Но тут-то и стали выясняться любопытные обстоятельства, показавшие, что простые исторические параллели проводить пока еще рано.

Во-первых, оказалось, что кварковую модель можно, а в некоторых случаях и необходимо, расширять и дополнять.

Как вы помните, в процессе развития теории симметрии физики столкнулись с возможностью введения нового, почти сохраняющегося квантового числа «очарования». С точки зрения кварковой модели это связано с существованием четвертого «очарованного» кварка (или цэ-кварка (с), как его часто называют). Цэ-кварк может иметь тот же электрический заряд, что и пэ-кварк, но, кроме того, ему приписывается значение «очарованности», равное единице. Интересно, что в модели с четырьмя кварками можно вообще избежать введения дробных зарядов — все кварки смогут соблюсти традицию микромира.

Реальные «очарованные» частицы — так называемые дэ-мезоны — были обнаружены совсем недавно, в мае 1976 года, группой Дж. Гольдхабера. Эти новые мезоны должны содержать наряду с обычным кварком и «очарованный» цэ-кварк. Интересно, что четвертый кварк еще до открытия дэ-мезонов выполнял в теории важные обязанности. Дело в том, что в теории слабых взаимодействий адронов, ограниченной представлением о трех фундаментальных кварках, предсказывалась сравнительно большая вероятность распада нейтрального ка-мезона на положительный и отрицательный мюоны. Между тем этот распад вообще не был обнаружен экспериментально. Это оказалось очень неприятным сюрпризом для современной теории, и длительное время было неясно, откуда возникает запрет на такой распад. Высказывались даже гипотезы о нарушении тех или иных фундаментальных принципов физики. Однако выход нашелся на довольно простом пути — как раз учет четвертого «очарованного» кварка в структуре адронов позволит теоретикам объяснить отсутствие ненаблюдавшегося распада.

В этом плане физики часто говорят, что четвертый кварк проник в число фундаментальных составляющих адрона «по запросу» теории слабых взаимодействий. Зато другое, более крупное расширение таблицы кварков произошло из-за одной неприятной особенности в объяснении структуры адронов, которая возникла буквально вместе с трехкварковой моделью.

Некоторые адроны должны были составляться из набора одинаковых кварков, и хотя бы два из них вынуждены были находиться вдвоем или втроем в одинаковом состоянии.

Попытки найти выход из столь трудного положения начались сразу же после появления гипотезы кварков и привели к модели с утроенным кварковым миром, сформулированной в 1965 году академиком Н. Боголюбовым и его учениками и независимо от них американскими теоретиками М. Ханом и И. Намбу Предполагалось, что существует три типа кварков, различающихся по какому-то признаку. Впоследствии этот признак назвали «цветом» и условились «раскрашивать» кварки одной из трех красок — желтой, синей или красной. Обычные адроны считались «белыми» частицами, что, естественно, имеет место при равномерном смешении трех указанных цветов (проверьте сами, если увлекаетесь рисованием). Теперь, например, тот же омега-гиперон включает уже три разноцветных лямбда-кварка, и никаких неприятностей с применением принципа Паули не возникает — ведь речь идет о трех различных частицах. В общем, как вы видите, кварковая модель находится в процессе развития и существуют различные интересные варианты оригинальной реализации призраков в будущих экспериментах.