Вера Черногорова - Загадки микромира

Идеи Янга — Миллса — Сакураи позволили бросить «макровзгляд» на мир элементарных частиц и при этом обнаружить его упорядоченность. Все частицы разделились на несколько больших семейств по восемь или десять членов. И в каждом из этих семейств частицы выглядели математически эквивалентными, симметричными друг другу.

А это дает не только эстетическое наслаждение. Найденная «гармония природы» честно служит практическим задачам физики микромира. Благодаря ей впервые удалось вычислить вероятности процессов с участием частиц — членов одного и того же семейства. Проявилась зависимость между такими явлениями, в которых раньше не находили ничего общего.

Закрывая 12-ю Международную конференцию по физике высоких энергий в Дубне (ту самую, на которой ученые впервые услышали об опытах с ка-мезонами), Д. Блохинцев сказал, что мы уже не так далеки от нашей общей цели — открытия новых принципов теории, управляющей миром элементарных частиц. Однако, продолжал он, «скептики могут заметить: да, вы, вероятно, правы, и мы совсем близки к цели, если только едем в правильном направлении…»

Какое из современных направлений, существующих в теории, правильно — сказать пока невозможно. По-видимому, правы те ученые, которые считают, что каждая из конкурирующих теорий содержит долю истины и в известной мере дополняет одна другую.

Серпуховской ускоритель… Вернемся еще раз к этому уникальному инструменту физики элементарных частиц. Он позволяет проникать в такие заповедные глубины материи, где каждый шаг вперед — открытие, хотя делать эти шаги все тяжелее и тяжелее.

Трудно оторвать глаза от четкой линии кольцевого магнита. Но что это? Почти идеальная симметрия серпуховского магнита нарушена. Между двумя его прямолинейными секциями вокруг вакуумной камеры ускорителя появилось большое, около 5 метров в диаметре, шарообразное сооружение. «Установка для регистрации монополя Дирака» — так официально называют его физики. А попросту говоря, это новейшая конструкция ловушки для одной из самых призрачных частиц, о встрече с которой давно мечтают ученые.

Электромагнитные взаимодействия — это, пожалуй, единственная область современной физики, где, как говорит профессор Я. Смородинский, «теория и опыт согласуются уже сейчас до тысячных долей процента, оставляя физиков в почтительном изумлении перед всеобъемлющей силой электродинамики, честно описывающей процессы в галактиках и в атомных ядрах».

Но даже в ней, в квантовой электродинамике, в которой многие видят прообраз будущей теории элементарных частиц, есть еще «белые пятна». Одно из них — это то, что необыкновенно разные по массе, по времени жизни и по другим свойствам элементарные частицы имеют совершенно одинаковый электрический заряд, в точности равный заряду электрона.

Единственное объяснение этому удивительному экспериментальному факту дал в 1931 году П. Дирак. Его замечательное уравнение для электрона, лежащего в основе электродинамики, впервые распахнуло двери в антимир. И оно же позволило ему сделать еще один важный вывод о возможности существования частицы с магнитным зарядом — так называемого монополя.

Если монополь — реальность, то согласно теории сразу получается, что электрические заряды всегда должны быть кратны кванту электричества, равному заряду электрона. После открытия позитрона ученые уже гораздо серьезнее отнеслись и ко второму предсказанию.

Сорок с лишним лет прошло с тех пор, как была высказана эта идея. Но и сегодня нет иных конкурирующих с ней гипотез. И конечно, экспериментаторы давно прилагают усилия для поисков монополя. Подобно миражу в пустыне, дразнит он воображение и заставляет ученых предпринимать все более и более изощренные попытки обнаружить его.

Известно ли что-нибудь физикам об этой частице-призраке? Не напоминают ли поиски ее ситуацию, так хорошо описанную в русских народных сказках: «Пойди туда, не знаю куда, найди то, не знаю что»?

Герой одной детективной пьесы говорит, что «он не обучен поиску преступника-призрака, что он должен знать о нем хоть что-нибудь конкретное».

Теория не балует ни охотников за кварками, ни охотников за монополем. И те и другие имеют в руках только одну твердо установленную примету: дробный электрический заряд у кварков и большой, в семьдесят раз больший электронного, магнитный заряд у частицы, предсказанной П. Дираком.

Сведений, как видите, не так уж много; скорее даже очень мало. Но если опытный следователь даже по анализу пыли на костюме обвиняемого может воссоздать картину преступления, то физик, исходя из величины магнитного заряда частицы, может в какой-то мере представить ее поведение в веществе.

Заряд — важнейшая улика, скрыть которую невозможно. Очень сильное электромагнитное взаимодействие — вот чем монополь отличается от всех других элементарных частиц. Попади он в фотоэмульсию, в ней после проявления был бы такой же густой и толстый след, какой оставляет тяжелое ядро.

Монополь со столь большим зарядом должен легко подчиняться влиянию магнитного поля. Даже слабое поле Земли будет действовать на него так же, как действует на электрон электрическое поле величиной 100 000 вольт/см!

Нельзя ли как-то использовать такое необычное обстоятельство для его обнаружения?

Задолго до появления мощных ускорителей родилась идея поискать в природе свободные монополи, которые могли попасть на Землю в составе космических лучей или возникнуть в земной атмосфере. Но где их искать? Ведь никому не известно, куда именно попали они, прилетев к нам на Землю.

И тут всплывает главная примета монополя: магнитный заряд делает его особенно чувствительным к магнитным веществам. Эта частица должна будет дрейфовать по силовым линиям магнитного поля нашей планеты до тех пор, пока не встретит на своем пути железо или железные руды. Взаимодействуя с ними, частицы будут накапливаться в этих породах.

Попавшую в глаз металлическую соринку извлекают с помощью магнита, подведенного к глазу. Точно так же, с помощью сильного магнитного поля, пытались вытягивать монополи возможно, застрявшие в магнитных породах.

В США в горах Адирондака, где есть выходы на поверхность магнетитовых пород, прямо на скалах установили мощный импульсный соленоид. Магнитное поле в центре соленоида и на поверхности скалы составляло 60 килогаусс. В верхней части соленоида располагались слои фотоэмульсии, на которых обязательно должен был «расписаться» каждый монополь, вытянутый из породы и ускоренный в соленоиде. Но когда эмульсия была проявлена, оказалось, что она не содержит ни одного желанного «автографа».