Вера Черногорова - Загадки микромира

А между тем задача эта совершенна аналогична той, о которой только что шла речь: как представить себе протон, состоящий из трех тяжелых кварков? Коробка с тремя шариками подскажет ее решение.

Давайте выпустим из каждого шарика столько воздуха, чтобы все они поместились в эту маленькую коробочку. И вот перед вами наглядная модель протона из трех кварков. Не беда, что кварки теряют чуть не 90 процентов своей массы, которая, подобно воздуху из шариков, выделяется при соединении в одну элементарную частицу.

Возможно, кварки неуловимы из-за того, что у существующих ускорителей не хватает энергии, чтобы «надуть» кварковые «шарики»?

Обратимся тогда к космическим лучам. Может быть, у них хватит на это энергии?

В атмосферу Земли посланцы далеких миров попадают с необыкновенно большой энергией. Энергия космических лучей в сто и тысячу миллионов раз больше той, которую могут сообщить протонам ускорители. И что, если там, в заоблачных высях, в ядерных катастрофах рождаются необыкновенные кварки?

Ученые тщательно пересмотрели множество облученных в космических лучах фотоэмульсий, но все безрезультатно.

И вдруг осенью 1969 года научный мир всколыхнуло известие, полученное с Международной конференции в Будапеште. Руководитель центра по изучению космических лучей в Австралии профессор Маккаскер сообщил об открытии кварков!

Он помещал камеру Вильсона в центр широких атмосферных ливней — плотных потоков частиц, — которые создавались протонами чудовищной энергии в 10 19-10 20электрон-вольт, приходящих из глубины космоса. И именно здесь Маккаскер и нашел, как ему показалось, эти гипотетические частицы. Среди 60 000 следов частиц, сфотографированных в камере Вильсона, пять оказались вдвое бледнее. Это как будто соответствовало вдвое меньшей ионизации. Именно такой след и должны были оставить кварки с зарядом, равным 2/ 3заряда электрона.

Опыт Маккаскера стал сенсацией в научно-популярной прессе. Но ученые, непосредственно заинтересованные в открытии кварков, были гораздо сдержаннее.

Несомненно, что следы на фотографиях Маккаскера были похожи на кварковые, но существует множество посторонних причин, по которым следы эти могли возникнуть. В сообщении австралийского ученого не было главного — контрольного анализа, и это сразу поставило под сомнение результат эксперимента.

В то время как одни искали кварки на ускорителях, а другие в космических лучах, третьи пытались обнаружить их в тончайших экспериментах на… лабораторном столе.

«Не мытьем так катаньем», — говорит народная поговорка. «Не можем создать, так будем искать», — решили ученые.

По теории один из трех кварков должен быть стабильным. И если кварки хоть изредка, да образуются в атмосфере, то, постепенно тормозясь, они будут накапливаться в обычной материи. В почве, в морской воде, в воздухе, во всем, что нас окружает, могут находиться свободные остановившиеся кварки либо же ядра, присоединившие к себе такой кварк.

Но чем отличается, например, капля воды, заряженная кварками, от капли, заряженной электронами? Первая имеет дробный электрический заряд, а вторая — кратный заряду электрона.

И проблема поисков кварков превратилась в проблему поисков дробного электрического заряда в частичках угля, в метеоритах, в капельках воды и в воздухе. Методы, традиционные для физики элементарных частиц, уступили место традиционным методам макрофизики.

Таким образом, стремление обнаружить еще более элементарные частицы материи привело ученых к опытам с макрообъектами. Группа физиков Московского университета с большой точностью измерила заряды угольных пылинок, капелек воды, но дробного заряда не обнаружила. Не обнаружили его и американские и итальянские исследователи.

Общий вывод, к которому пришли ученые, такой: если кварки и существуют в природе, то их в 10 17-10 18раз меньше, чем нуклонов. Да, малость этой цифры производит удручающее впечатление. Но не на самих ученых.

Поиски кварков продолжаются до сих пор.

И вот что интересно. Советские физики-теоретики Я. Зельдович, Л. Окунь и С. Пикельнер сделали попытку теоретически подсчитать сколько же замедлившихся кварков может быть на Земле? Оценка дала мизерную величину: кварков в 10 10-10 13раз меньше, чем нуклонов.

По признанию члена-корреспондента АН СССР Е. Фейнберга: «Это уже снимает некоторую тяжесть с души: понятно, почему их до сих пор не замечали, даже если кварки — реальность».

Весной 1971 года в журналах появилось новое сообщение о наблюдении дробного заряда. Ниобиевый шарик, охлажденный до температуры жидкого гелия, «подвешивался» на магнитных силовых линиях между обкладками конденсатора в вакууме. Шарик попеременно обстреливали положительными и отрицательными электронами из радиоактивных источников, автоматически подводившимися к нему.

После такой операции заряд шарика, кратный электронному, должен был полностью компенсироваться. Но когда к обкладкам конденсатора подвели высокочастотное поле, шарик повел себя так, будто у него дробный заряд, равный 1/ 3заряда электрона. Значит, кварки найдены?

Трудно сказать. Этому опыту, как и результатам Маккаскера, не хватает доказательности.

«По-видимому, можно утверждать, что нет таких частиц с массой меньше 6–8 Гэв (то есть в 6–8 раз тяжелее нуклонов)», — пишет академик Я. Зельдович. «Либо они не столь уж тяжелы (скажем, масса кварка приблизительно равна 2,5 массы протона), но сильно взаимодействуют с пи-мезонами и потому… в ходе конкуренции разных процессов уступают место, пионам», — такого мнения придерживается член-корреспондент АН СССР Е. Фейнберг.

«Сомнительно, что кварки существуют в свободном состоянии. Так же как звук не существует в пустоте, так и кварки не могут существовать в свободном состоянии, хотя возможно, что они играют важную роль в структуре элементарных частиц», — сказал член-корреспондент АН СССР Д. Блохинцев.

Спустя полгода после создания кварковой модели ее автор, американский ученый М. Гелл-Манн, приехал в Дубну на Международную конференцию по физике высоких энергий. На заданный ему вопрос: «Существуют ли кварки?» — он ответил совсем коротко: «Кто знает?» («Who knows?»)

«Боюсь, что нужно было бы другое перо — перо писателя, чтобы передать все, что он вложил в эти два коротких слова. Здесь звучало огромное уважение к эксперименту, который в последнем счете решает и ведет науку вперед; здесь была и присущая М. Гелл-Манну интеллектуальная смелость и чувство нового, и готовность принять все, что дает природа, и создать из этого новую теорию, вызвать к жизни новые эксперименты», — так оценил ответ М. Гелл-Манна академик Я. Зельдович.