Владилен Барашенков - Вселенная в электроне

В теории Гелл-Мана и Цвейга нуклон, гипероны и другие похожие на них тяжелые частицы состоят из трех кварков. Мезоны состоят из «слипшихся» кварка и антикварка. Последние — такие же «сердитые» родственники, как электрон и позитрон. Их электрические заряды отличаются знаком, а столкнувшись, они могут в пух и прах разнести друг друга — аннигилировать. Но это происходит не всегда. Иногда бывает так, что вместо взаимоуничтожения частица и античастица, как борцы на арене цирка, начинают кружиться одна вокруг другой. Образуется короткоживущая система, где частицы погружены в общую энергетическую «ванну».

С помощью «кваркового конструктора» можно построить всю таблицу элементарных частиц — иногда простым сложением, а иногда придавая дополнительное вращение «частям» уже построенных частиц. Исключение составляют упрямые лептоны, их никак не удается породнить с кварками. Почему это так, мы выясним позднее, а пока будем иметь дело лишь с адронами. Их намного больше, чем лептонов. (Если кто-то забыл, чем отличаются адроны от лептонов, полезно вернуться на несколько страниц назад и еще раз прогуляться по «зоопарку» частиц.)

Подобно тому как это было когда-то с периодическим законом Менделеева для химических элементов, кварковая систематика позволила вычислить параметры и предсказать поведение новых частиц, которые затем были открыты на опыте. Но сами кварки по-прежнему оставались чисто теоретическими объектами. О них много говорили и писали, но они упорно не хотели проявлять себя в опытах.

Вот тут-то и вышли на арену феймановские партоны. Оказалось, что внутри протона и нейтрона ровно по три партонных икринки и параметры их в точности такие, как у кварков. В частности, их заряд равен 1/3 и 2/3 электронного. Точнее, один тип партонов имеет заряд -1/3, два других +2/3. Три типа партонов — три состояния кварка. Стало ясно, что партоны и кварки — это одни и те же частицы. Теоретики и экспериментаторы пришли к ним с разных сторон.

Казалось бы, наконец-то удалось свести концы с концами. Однако счастье никогда не бывает полным, и в любой бочке меда есть своя ложечка дегтя. Физиков очень беспокоило то, что в свободном виде, так сказать, наяву, кварки никто не наблюдал, хотя с тех пор как их изобрели, прошло уже достаточно много времени. Почему кварки встречаются лишь связанными в пары и тройки? Получается так, что, подобно подпоручику Киже в известном рассказе Юрия Тынянова, кварки «присутствуют, но фигуры не имеют»! В чем же здесь дело? Может, мы в чем-то здорово ошибаемся и кварковый этаж природы устроен совсем не так, как мы его себе представляем?

Поиск свободных кварков стал одной из основных забот физиков. Не выяснив, в чем тут дело, нельзя было двигаться дальше, и на решение этой задачи была брошена вся мощь современной экспериментальной физики.

Самый характерный признак кварка — его дробный заряд, меньший заряда электрона. Вот за этот признак и ухватились охотники за невидимками.

Когда заряженная частица проходит сквозь вещество, она своим электрическим полем срывает часть электронов с оболочек атомов — ионизует их. Вдоль пути частицы выстраивается цепочка таких «ободранных» атомов. Физики называют их ионами. Чем больше заряд частицы, тем большее число ионов отмечает ее путь. Поэтому ионизационные следы кварков в веществе должны заметно отличаться от следов других частиц. Они менее плотные. Расчет показывает, что кварк с зарядом 2/3 образует в два с половиной раза меньше ионов, чем частица, обладающая единичным зарядом. А кварк с зарядом 1/3 — почти в десять раз меньше. Вот по таким «рыхлым», разреженным следам и можно надеяться отыскать кварк среди других элементарных частиц.

Плотность следа зависит также от массы частицы и ее скорости. Быстрая, легкая частица, подобно глиссеру на воде, должна оставлять лишь слабый, едва видимый след, а медленная и тяжелая, как ледокол во льдах, будет образовывать широкую полосу повреждений. Однако физики давно уже научились измерять массы и скорости частиц и в «чистом виде» выделять только ту часть ионизации, которая связана с различием зарядов частиц.

Конечно, сама по себе цепочка ионов вдоль пути частицы остается невидимой, подобно тому как невидимо изображение на непроявленной фотопленке. Чтобы увидеть ионизационные следы частиц, нужны особые условия или специальная обработка материала. Для этого можно воспользоваться, например, камерой Вильсона в магнитном поле, с помощью которой полвека назад был открыт позитрон. Цепочка заряженных ионов выполняет в ней роль центров конденсации, вокруг которых «проявляется» след частицы в виде полоски тумана. Магнитное поле изгибает ее. Радиус изгиба зависит от величины электрического заряда частицы, а направление изгиба — от его знака.

Вместо пересыщенного пара, который применяется в камере Вильсона, можно использовать перегретую жидкость с температурой немного выше точки кипения. Она мгновенно вскипает вдоль траектории ионизующей частицы и отмечает ее гирляндой мелких пузырьков — как в стакане с нарзаном. Чем сильнее заряжена частица, тем больше образуется таких пузырьков.

След частицы можно сделать видимым также с помощью фотопластинок, подобных тем, что применяются в обычном фотоателье, только фотослой у них нужно приготовить по специальному рецепту — он должен быть чрезвычайно высокочувствительным, чтобы реагировать даже на очень слабые ионизационные повреждения. Химически ионы значительно более активны, чем неповрежденные атомы, поэтому проявитель сильнее всего действует на те участки фотослоя, которые повреждены частицами (или светом), и в результате получается отчетливая фотография следов.

Есть и другие способы «проявить» ионизационные следы частиц. Однако ни в одном из таких экспериментов дробных электрических зарядов обнаружить не удалось. Их искали среди потоков частиц, рождающихся в ядерных реакциях на ускорителях, искали в космических лучах… И… ничего, никаких следов кварков!

Одно время физики думали, что «вышелушить» кварки из протонов и нейтронов мешает их очень большая масса. Плавая в энергетической «ванне» внутри нуклона, они становятся гораздо легче, и, чтобы превратиться в свободные тяжелые кварки, им нужно здорово «поправиться». Этого нельзя сделать без усиленного энергетического «питания», поэтому выбить кварк из нуклона, вдоволь «накормив» его энергией, может лишь сильно разогнанная частица. А поскольку кварки в опытах не рождаются, это означает, что мощности современных ускорителей еще недостаточно, и поймать кварк, возможно, удастся только в далеком будущем. Вывод очень пессимистический.