Вера Черногорова - Загадки микромира

После работ М. Гелл-Манна и Ю. Неемана появились и другие варианты ликвидации хаоса, казавшиеся своим авторам не менее «благоразумными».

Сложилась странная ситуация. С одной стороны, многие в то время считали создание систематики фундаментальных частиц неперспективным направлением в физике. Сторонники строгой теории считали это занятие недостойным настоящего ученого.

С другой стороны, усилившийся поток теоретических работ на эту тему вызвал даже «испуг и настороженность» в ряде научных журналов. Создалось впечатление, что «при свете дня теоретики склонны отзываться об этом направлении иронически, а в тиши ночей пишут о нем работы, число которых растет экспоненциально».

Как бы то ни было, но все больше физиков вовлекалось в «конкурс» на лучший «гербарий» элементарных частиц. Научная атмосфера в физике высоких энергий становилась все напряженнее. Какой вариант будет признан лучшим? Что скажет самое объективное и справедливое «жюри» — эксперимент?

А он пока молчал. Молчал, как мудрец, задумавшийся над сложной задачей. Воспользовавшись этим обстоятельством, поговорим пока о том, чего же ждали от эксперимента авторы «восьмеричного пути».

Пропустив свою идею через «математические операции», разработанные еще в XIX веке норвежским математиком Софусом Ли и поэтому названные алгеброй Ли, они получили четкий план «построения» фундаментальных частиц. Частицам предписывалось выстроиться в группы из трех, из восьми и из десяти членов. Причем в одну и ту же группу попадали частицы с определенными квантовыми числами.

Когда нуклоны, мезоны и резонансы разбросали по этим группам, оказалось, что, кроме целиком пустой группы из трех, в группе из десяти тяжелых частиц одно место также пустует. Кого же не хватает?

Кто интересовался историей составления Д. Менделеевым своей периодической таблицы элементов, тот знает, что она включала и пустые места для еще не открытых веществ. Причем свойства этих элементов были уже предсказаны Дмитрием Ивановичем.

С помощью правил, которым подчиняются разделенные на группы частицы, нетрудно было установить, что недоставало самой тяжелой частицы из десятка сограждан микромира. Незнакомку назвали омега-минус-гиперон и написали ее «портрет» — массу и квантовые числа, — который оказался впоследствии очень близким к оригиналу.

Найденная упорядоченность помогла связать друг с другом явления, в которых теория не находила ничего общего, и вычислить вероятности ядерных реакций с участием частиц одной и той же группы. Впервые удалось с большой точностью теоретически вычислить очень важное для понимания свойств частиц отношение магнитных моментов нейтрона и протона.

И все-таки, несмотря на эти успехи, «дырка», зияющая в десятке тяжеловесов, создавала неуверенность в правильности самой классификации. Экспериментаторы буквально с «портретом» в руках усиленно искали омегу-минус-гиперон. «Если она будет найдена, — писал в то время М. Гелл-Манн, — то правильность восьмеричного пути будет в сильнейшей степени подтверждена».

Однако главный недостаток новой систематики, как казалось всем, заключался в другом. Если на открытие омега-минус-гиперона еще можно было надеяться, то заполнить еще целую пустую группу из трех частиц не представлялось возможным.

И дело было вовсе не в том, что не хватало еще трех частиц. История физики высоких энергий свидетельствовала, что этот недостаток восполним, надо только подождать. Ситуация была значительно сложнее. Математическая логика восьмеричного пути зарезервировала эти места для совершенно необычных граждан микромира.

Все частицы, с которыми физикам приходилось иметь дело, были или нейтральны, или имели заряд, равный заряду электрона. И вдруг открылась вакансия для частиц с дробным зарядом!

Претендентами на эти места могли быть частицы с зарядом, равным 1/ 3и 2/ 3электронного. Почти никто не сомневался в абсурдности такого предсказания. Отсутствие омега-минус-гиперона и явная нелепость предсказания группы из трех частиц с дробными электрическими зарядами значительно снижали шансы восьмеричного пути.

В этих сложных условиях М. Гелл-Манн (и независимо от него Цвейг) сделал ход, аналогичный тому, который сделал Тур Хейердал для доказательства своей теории заселения островов Полинезии. Изучив остатки древней культуры Полинезии, Тур Хейердал пришел к выводу, что острова были заселены не из Азии, как утверждалось ранее, а выходцами из Южной Америки. Противники теории Тура Хейердала утверждали, что без навигационных приборов, без предназначенных для дальнего плавания судов невозможно преодолеть огромную водную пустыню Тихого океана. И тогда Тур Хейердал, веря в свою гипотезу, построил плот из бальсовых деревьев и доказал, что на нем можно преодолеть это расстояние. Тем самым он обратил себе на пользу главный аргумент своих противников.

Глубоко веря в свою систематику, М. Гелл-Манн предположил, что необычные частицы с дробным зарядом не только существуют в природе, но именно из них «сделаны» все остальные, включая и недостающую.

Так соединил он несходившиеся «концы» своей теории. А, вероятно, ту долю сомнений и неуверенности, которая еще оставалась в его душе, он вложил в название этих частиц, взятое из научно-фантастического романа.

«Кварки, кварки, кварки» — такое непонятное слово вдруг замелькало в начале 1964 года на страницах научных и научно-популярных журналов.

Когда в научную среду впервые просочились слухи о кварках, никто не мог понять, что это такое. И словари не могли помочь, потому что перевод этого загадочного слова ни с английского, ни с немецкого языков не имел ровно никакого физического смысла.

Все разъяснилось после выхода очередного американского журнала «Physical Review Letters». В небольшой статье М. Гелл-Манн написал, что необычное имя «кварк» получили три «золушки» восьмеричного пути — те самые три гипотетические частицы с дробными зарядами. Силой воображения теоретика они превратились в самых главных лиц многочисленного общества сильно взаимодействующих частиц.

Протоны, нейтроны и гипероны, а также резонансы прекрасно складывались из разных сочетаний трех кварковых кирпичиков и соответствующих им антикварков, а мезоны — из кварка и антикварка. С их помощью легко объяснились все достижения систематики, в том числе и упаковка по восемь и десять частиц.

«Можно просто и ясно, — говорит академик Я. Зельдович, — объяснить даже ребенку, что есть 10 частиц, потому что каждая частица состоит из трех кирпичиков; есть 3 сорта кирпичиков, и легко проверить, что есть 10 и только 10 разных комбинаций».