Бег за бесконечностью (с илл.)

Потупа Александр Сергеевич

Необычные свойства кварков выражались прежде всего в том, что их барионные и электрические заряды имели дробные значения в единицах зарядов протона или любой другой известной элементарной частицы. В частности, все барионные заряды кварков должны были составлять ¹/₃ заряда известных барионов. Пэ-кварк должен был, кроме того, иметь положительный электрический заряд, равный ²/₃ заряда протона, а остальные два — эн- и лямбда-кварки — должны были иметь отрицательные заряды по (¹/₃). И наконец, лямбда-кварк еще обладал «странностью», равной минус единице (–1). При внимательном взгляде на кварки нетрудно заметить, что они действительно напоминают компоненты сакатона —

протон, нейтрон и лямбда-гиперон — с той разницей, что барионные заряды кварков меньше на ²/₃, а электрические на ¹/₃, чем у этих барионов.

Предсказание дробных зарядов у кварков показалось физикам весьма необычным, но оно, в сущности, не нарушало никаких фундаментальных законов природы. То, что, например, электрические заряды всех наблюдаемых частиц либо равны по абсолютной величине заряду электрона, либо больше его в целое число раз, — просто экспериментальный факт, смысл которого пока непонятен. И если обнаружились бы более мелкие порции электричества, то это стало бы просто нарушением традиции, а не каких-то определенных законов.

Гораздо более удивительным оказалось другое обстоятельство. Кварковая модель стала превосходным средством для наведения порядка в микромире и испытала большой успех в самых различных приложениях, но вот сами кварки, несмотря на чрезвычайно активные поиски, так и не удалось обнаружить.

Посудите сами. Любой известный барион без труда строится в виде комбинации из трех кварков. Скажем, протон должен состоять из двух пэ-кварков и одного эн-кварка, а отрицательно заряженный кси-минус-гиперон из эн-кварка и двух лямбда-кварков. Пользуясь все той же простой зарядовой арифметикой, можно составить и любой мезон — он непременно должен содержать какой-либо кварк и антикварк, чтобы суммарный барионный заряд этой комбинации был равен нулю. Например, положительно заряженный пи-мезон состоит из пэ-кварка и эн-антикварка, а отрицательно заряженный ка-мезон — из лямбда-кварка и пэ-антикварка. В общем, положив перед собой таблицу известных адронов и вспомнив заряды различных кварков, вы могли бы очень быстро установить кварковый состав всех частиц и античастиц.

Но успехи кварковой модели не ограничивались такой удачной классификацией адронов. Модель давала и вполне определенные предсказания о закономерностях, которые должны наблюдаться в процессах сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий при рассеянии и распадах адронов. Большинство таких предсказаний удивительно хорошо подтверждается экспериментальными данными.

Не менее важно и другое — именно кварки позволяли верить в глубокий смысл обнаруженных законов симметрии микромира. Можно сказать, что гипотетические частицы наполнили жизнью красивый замок унитарных симметрий; без кварков он казался бы пустынной, наскоро сколоченной времянкой. Но кварки до сих пор так и остались призраками! Они приносят большую пользу, о них много сказано и написано, наконец, большинство физиков верят в их существование. Но их никто и никогда так и не наблюдал. Между тем история ловли кварков ничуть не уступает, даже, пожалуй, превосходит по драматизму охоту за космическими лучами.

Кварки искали не только на земле, под землей или под водой. Чтобы обнаружить какой-нибудь «зазевавшийся» призрак, перетирались в порошок целые метеориты. Их пытались зарегистрировать в самых первых образцах лунного грунта, с великими трудами и затратами доставленных на нашу планету.

Дело в том, что по крайней мере один из кварков должен был оказаться стабильным, и в силу закона сохранения электрического заряда его дробный заряд можно было бы обнаружить даже после всевозможных взаимодействий этого кварка с обычными частицами вещества. Именно поэтому физики уделяли большое внимание поиску кварков с дробными зарядами и в макроскопических кусках вещества.

Более того, физики обратились к анализу истории наблюдаемой вселенной и к исследованию строения звезд. Уже в 1965 году — всего через год после появления гипотезы кварков — советские теоретики Я. Зельдович, Л. Окунь и С. Пикельнер опубликовали большую статью под названием «Кварки: астрофизический и физико-химический аспекты». В этой работе были даны оценки допустимой плотности реальных кварков в связи с самыми различными возможностями их существования. Вывод был не слишком утешителен; кварков должно быть в 10⁹–10¹⁸

раз меньше, чем нуклонов. Последующие теоретические и экспериментальные работы в основном подтвердили это заключение. Кварки, даже если они и существуют в виде отдельных частиц, — редчайшие «звери». Число нуклонов должно, по крайней мере, в тысячи миллиардов раз превышать число кварков…

И уж конечно, трудно перечислить все эксперименты по поиску кварков в потоках космических лучей и среди миллионов событий, полученных на крупнейших ускорителях мира. В программах «Серпухова» и «Батавии» кварковый эксперимент стоял на первом месте — еще только «прогревая» синхротроны для долгосрочной работы, физики пытались отыскать в регистрирующих устройствах следы дробно-заряженных частиц. Упорное нежелание кварков предстать пред нетерпеливыми взорами экспериментаторов стало вызывать тревожные размышления.

Как бы то ни было, а гипотетические частицы оказались предельно экономичным средством для «сборки» любого известного адрона. Поэтому сначала даже некоторые существенные неясности в отношении природы сил, связывающих кварки, не могли поколебать безграничной веры большинства физиков в их реальность. В пользу сторонников реальных кварков свидетельствовали и известные вам исторические аналогии.

Вспомните, заявляли они, сколько добрых дел успел совершить протон задолго до своего настоящего открытия. А за 15 лет до экспериментальной регистрации пи-мезона была правильно описана структура атомных ядер, причем ядерный квант до сих пор не раскрывает многих своих тайн. А сколько лет отделяет тюбингенское послание В. Паули от занесения в таблицу элементарных частиц «короля конспирации» нейтрино? А разве не пытались некоторые физики всего за три-четыре года до открытия антипротона придумать уродливую антивселенную с одними позитронами? Да что уж там маленькие сроки, каких-то 15–20 лет, продолжали они, атомистическая гипотеза дожидалась доказательств два с половиной тысячелетия! А ведь все успехи молекулярно-кинетической теории теплоты в прошлом веке связаны именно с атомистическими представлениями. Теперь же, изучив атомно-молекулярный, ядерный и «элементарно-частичный» уровни строения вещества, мы стоим на пороге нового, еще более глубокого уровня, и стоит ли предаваться сомнениям относительно реальности кварков, которые вот-вот окажутся превосходным примером предоткрытия?

Но тут-то и стали выясняться любопытные обстоятельства, показавшие, что простые исторические параллели проводить пока еще рано.

Во-первых, оказалось, что кварковую модель можно, а в некоторых случаях и необходимо, расширять и дополнять.

Как вы помните, в процессе развития теории симметрий физики столкнулись с возможностью введения нового, почти сохраняющегося квантового числа — «очарования». С точки зрения кварковой модели это связано с существованием четвертого «очарованного» кварка (или цэ-кварка (с), как его часто называют). Цэ-кварк может иметь тот же электрический заряд, что и пэ-кварк, но, кроме того, ему приписывается значение «очарованности», равное единице. Интересно, что в модели с четырьмя кварками можно вообще избежать введения дробных зарядов — все кварки смогут соблюсти традицию микромира.

Реальные «очарованные» частицы — так называемые дэ-мезоны — были обнаружены совсем недавно, в мае 1976 года, группой Дж. Гольдхабера. Эти новые мезоны должны содержать наряду с обычным кварком и «очарованный» цэ-кварк. Интересно, что четвертый кварк еще до открытия дэ-мезонов выполнял в теории важные обязанности. Дело в том, что в теории слабых взаимодействий адронов, ограниченной представлением о трех фундаментальных кварках, предсказывалась сравнительно большая вероятность распада нейтрального ка-мезона на положительный и отрицательный мюоны. Между тем этот распад вообще не был обнаружен экспериментально. Это оказалось очень неприятным сюрпризом для современной теории, и длительное время было неясно, откуда возникает запрет на такой распад. Высказывались даже гипотезы о нарушении тех или иных фундаментальных принципов физики. Однако выход нашелся на довольно простом пути — как раз учет четвертого «очарованного» кварка в структуре адронов позволит теоретикам объяснить отсутствие ненаблюдавшегося распада.