Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная

С первого взгляда идея о легких кварках может показаться странной — как же из трех легких кварков «склеить» тяжелый нуклон? Откуда взять недостающую массу? Нельзя, однако, забывать о том, что нуклон состоит из трех кварков и окружающей их глюонной «шубы». Она-то в основном и дает недостающую массу. Легче всего «голые» кварки в центре нуклона. Но чуть только мы попытаемся «растащить» их, как тотчас возникнет сильное поле взаимодействия и кварки прибавят в весе. Чем дальше от центра частицы, тем они тяжелее, внутри элементарной частицы кварки ведут себя так, словно между ними натянуты некие эластичные нити.

На малых расстояниях эти нити расслаблены и не мешают движению кварков, а вот когда кварки пытаются разойтись, нити натягиваются и тем сильнее, чем дальше кварки удаляются друг от друга. Это самая простая модель «центральной свободы и периферического рабства» кварков.

Картина будет еще точнее, если читателю удастся представить себе пару взаимодействующих кварков в виде упругой глюонной струны с кварковыми зарядами на концах (вроде северного и южного полюса у намагниченного стержня), между которыми натянут жгут силовых линий глюонного поля. Когда кварки расходятся и струна натягивается слишком сильно, она может лопнуть и на месте разрыва сразу же вырастут два новых кварковых заряда. Разрывая такую струну, нельзя получить свободные кварки. А чтобы струна не сжалась в точку, можно предположить, что кварки вращаются вокруг ее центра. Возникающая при этом центробежная сила растягивает струну и компенсирует ее стремление сжаться. У частицы, как у вращающегося волчка, возникает момент вращения — спин.

Некоторые физики представляют себе элементарную частицу в виде эластичного пузыря, наполненного кварковым газом. Стремление оболочки пузыря сжаться уравновешивается внутренним давлением газа. Правда, «газ» внутри протона состоит всего лишь из трех кварков, а мезон наполнен «газом» из двух частиц — кварка и антикварка. Весьма условный газ, конечно, но на то и модель! Ее часто называют также «кварковым мешком». Физики, которые ее разрабатывают, разумеется, получили шутливое прозвище «мешочников». Между кварками внутри «мешка» можно ввести склеивающие силы. В зависимости от того, в каком состоянии взаимодействуют между собой эти частички, сам «мешок» по своим свойствам оказывается похожим на одну из известных нам частиц — на протон, гиперон, мезон и так далее. Массы этих частиц получаются очень близкими к тому, что наблюдается на опыте.

Научиться рассчитывать спектр масс частиц всегда было мечтой теоретиков. И никому это до сих пор не удавалось. И вот модель «кварковых мешков» впервые помогла теоретикам приблизиться к этой цели. Теперь «мешочники» пытаются изготовить кварковые «мешки» целиком из глюонного поля. Это позволило бы освободиться от грубого и все-таки очень приблизительного образа эластичной сжимающей оболочки и чисто теоретически рассчитать периферические силы сжатия. Одна из таких попыток связана с очень интересным явлением — образованием так называемых солитонов .

Давно было замечено, что в полях, обладающих самовоздействием (такие поля называются нелинейными) иногда образуются устойчивые волновые сгустки. Впервые это явление наблюдал еще в середине XVIII в. английский ученый Скотт Рассел на примере турбулентного движения воды. Вот как он сам описал его в одной из своих работ:

«Я наблюдал за движением баржи, которую с большой скоростью тянула по узкому каналу пара лошадей как вдруг баржа резко остановилась. Но отнюдь не остановилась приведенная ею в движение масса воды в канале. Неистово бурля, она стала собираться вокруг носовой части судна, а затем, вдруг покинув его, с огромной скоростью покатила вперед, приняв форму обособленного крупного возвышения — округлого, гладкого и резко очерченного скопления воды, которое продолжало свой путь по каналу без сколько-нибудь заметного изменения формы или уменьшения скорости».

Позднее такие волновые сгустки получили название солитонов — от английского слова solitary, что значит «отдельный», «уединенный». 1

Глюонное поле — нелинейное (вспомним о способности глюонов создавать вокруг себя новое глюонное поле), поэтому в нем могут образовываться солитоны! Расчеты показывают, что глюонные солитоны сами по себе, по-видимому, нестабильны и довольно быстро рассеиваются в пространстве. Однако есть надежда, что если в такой мешок-солитон поместить кварки, он приобретет устойчивость.

Конечно, все эти модели представляют собой сильно упрощенное и усредненное описание реального положения дел. Однако основанные на них расчеты дают спектр масс и многие другие характеристики, которые поразительно хорошо согласуются с опытом.

Нечто похожее в физике уже было, когда создавалась теория атома и квантовая механика. Тогда тоже существовали различные наглядные модели, с помощью которых ученые пытались если не объяснить, то хотя бы привести в систему новые факты. Например, очень популярной была модель, в которой атом рассматривался в виде набора механических резонаторов, отвечающих на внешние воздействия, подобно музыкальному инструменту. Английский физик Джон Томсон, незадолго до этого открывший электрон, представлял себе атом в виде положительно заряженной капли, внутри которой вибрируют электроны. Возникал и образ яблока из положительно заряженной мякоти с семечками-электронами. Резерфорд разрабатывал «солнечную» модель атома с планетами-электронами, вращающимися вокруг центрального ядра. Каждая из этих моделей была ступенькой на пути к современной квантовой картине.

Иногда приходит мысль: может, кварковые модели тоже всего лишь переходный мостик к какой-то совершенно новой картине микромира? Но едва ли... Квантовая механика принесла с собой принципиально новый закон движения. Мир точных устойчивых траекторий сменился расплывчатой, дрожащей картиной сталкивающихся и рассеивающихся волн. Как будто вы наблюдали за игрой футболистов на поле, и вдруг вам надели неподходящие очки и все перед вами расплылось. А с кварками ничего похожего. Изменились физические объекты, закон же движения остался прежним.

Впрочем, мы еще только прикоснулись к кварковым явлениям. Пока это клубок противоречивых гипотез и фактов. Как знать, может, для более точного описания этих явлений потребуется принципиально новая теория?

Рассказ о поисках свободных кварков был бы неполон, если бы мы не упомянули еще об одной «сумасшедшей» идее, появившейся недавно,— о гигантских кварковых «мешках» — целых астероидах и планетах из слипшихся кварков.

Физики давно уже заметили, что внутри атомных ядер иногда образуются очень плотные сгустки из нескольких нуклонов — кластеры. Впервые на это обратил внимание еще четверть века назад советский физик М. Г. Мещеряков и его сотрудники. Причины этого явления долго оставались невыясненными, но теперь теория кварков позволяет его объяснить: кластер — это «мешок» из шести и большего числа кварков. Нуклоны внутри ядра иногда очень близко подходят друг к другу, и их кварки объединяются в общий «мешок». Получается многокварковый супернуклон.