Кварки, протоны, Вселенная

Барашенков Владилен Сергеевич

Одним из первых идею «суперобъединения» выдвинул харьковский теоретик Дмитрий Васильевич Волков и его сотрудники. На окраине Харькова, в лесном массиве, расположены ускоритель электронов и научный городок Пятихатки. Вот там и родилась эта замечательная идея. Правда, как это часто бывает в науке, сходные мысли были высказаны и другими физиками — Ю. Ф. Гольфандом в Физическом институте имени П. Лебедева в Москве, а также И. Вейсом и Б. Зумино в Женеве. В современном мире, где происходит быстрый обмен информацией, новые идеи часто витают в воздухе.

В математическом отношении новая теория чрезвычайно сложна. Гросмановы числа, произведение которых зависит от порядка сомножителей, спиноры и спинтензоры, теория групп, весь аппарат современной дифференциальной

геометрии... Но физический смысл теории прозрачен. Все элементарные частицы, в том числе и «суперэлементарные» кварки и глюоны, теория делит на два больших разряда: бозоны и фермионы. Отличительным признаком служит величина спина. Дело в том, что микрочастицы ведут себя подобно быстро вращающимся полчкам, а у каждого волчка есть момент количества движения. Это и есть спин. Частицы, у которых спин — дробная величина, называют фермионами, а у которых целое число — бозонами. Происходят эти термины от фамилий итальянского физика Ферми и индийского теоретика Бозе, которые первыми изучили зависимость свойств частиц от их спинов. К фермионам принадлежат кварки, протон, нейтрон, электрон, нейтрино и все другие лептоны, а также многие странные частицы. В разряд бозонов входит пи-мезон (его спин равен нулю, поэтому можно сказать, что это невращающаяся частица), а так же омега- и ро-мезоны и множество других короткоживущих частиц.

Так вот, идея суперобъединения, или суперсимметрии заключается в предположении, что у каждого бозона обязательно есть партнер-фермион, а у фермиона — бозон. Иначе говоря, при перестановке бозонных и фермионных частиц физические законы остаются неизменными (зеркально симметричными).

Мультиплеты такой теории объединяют частицы с разными спинами: кварки и лептоны, глюоны, фотон, гравитон и не найденные еще на опыте их суперсимметричные партнеры. «Многогранные» частицы-мультиплеты становятся очень сложными, их «компоненты-грани») могут быть частицами вещества и частицами — переносчиками взаимодействий.

Такое всеобъемлющее объединение частиц и полей по-видимому, действительно происходит на ультрамалых расстояниях порядка 10^{– 33} сантиметров. Расстояния эти намного меньше тех, которые можно прощупать с помощью ускорителей. Но можно рассчитывать на то, что отголоски суперобъединения обнаружатся где-то в глубинах Вселенной, развитие и строение которой зависят от того, что творилось в ней в первые мгновения после ее рождения, когда она была меньше любой самой маленькой элементарной частицы. Об этом событии мы еще подробно поговорим в последующих главах.

Среди предсказаний новой теории одно из наиболее интересных — гипотеза о новом виде гравитации, о неизвестном до сих пор варианте всемирного тяготения. Его квантами-переносчиками служат гравитино — фермионные партнеры «обычных», известных нам, бозонных гравитонов. Расчеты показывают, что в отличие от гравитона, являющегося безмассовой частицей, гравитино весит раз в 100 больше протона. Существует ли в природе такая «тяжелая гравитация»? Открытие гравитино будет хорошим доказательством правильности идеи суперсимметрии.

Другое важное следствие анализа различных вариантов суперсимметричной теории элементарных частиц — гипотеза о составной природе кварков. Кванты суперсимметричного поля стали настолько сложными и многокомпонентными объектами, а их физические свойства — настолько разнообразными, что это само по себе наводит на мысль: не состоят ли кварки, глюоны и их компоненты из каких-то более мелких и простых частичек, принадлежащих следующему, «закварковому» уровню материи?

Что это за частицы, можно лишь гадать. Никаких экспериментальных данных об этом пока нет. Тем не менее теоретики уже создают и исследуют различные схемы с составными кварками. В одной из них кварки состоят из двух «пракварков», один из которых напоминает мезон, а второй по своим свойствам похож на электрон и имеет античастицу. Разработана схема, в которой кварки состоят из трех электроноподобных пракварков.

Некоторые теоретики считают, что частями кварков могут быть протяженные объекты, похожие на тонкие длинные змейки или вибрирующие струны, с размерами порядка 10^{– 33} сантиметров. Эти «змейки» похожи на хромосомы в клетках организмов. При столкновении кварков их «хромосомы» могут сливаться, скрещиваться и распадаться, образуя новые «хромосомы». В соответствии с идеей суперсимметрии они сочетают в себе свойства бозонов и фермионов. Изучение гипотетических «змеек-струн» — сегодня одно из основных направлений физики элементарных частиц.

Но все это — гипотезы. Что происходит на самом деле в области сверхмалых расстояний, сказать пока трудно. Суперобъединение переживает еще младенческую пору своей жизни. Пока это область теоретической фантазии, где вопросов и загадок намного больше, чем разгадок и ответов. Целый мир абстрактных образов! И благодатное поле для самых смелых предположений.

Теория в современной физике занимает исключительное место. Она строит мосты между островками разрозненных экспериментальных фактов и путем экстраполяции позволяет далеко уходить от них в область неизвестного.

Фиолетовые руки на эмалевой стене полусонно чертят звуки в звонко-звучной тишине...

Эти знаменитые строки Валерия Брюсова невольно приходят в голову, когда глядишь на черные доски с узором затейливых формул, понятных лишь небольшом кругу посвященных... И в то же время, как мы все давно знаем, нет ничего практичнее хорошей теории!

Когда-то, лет 25 назад, на киноэкранах и на страницах книг появился образ физика-теоретика, этакого элегантного острослова, немного чудаковатого, немного резкого, утопающего, вытянув ноги, в современных мягких креслах или разгуливающего по бесконечным коридорам в окружении почтительно внимающих ему коллег экспериментаторов. Как же это все устарело! Да и было ли верно? Остроумный или просто умный — да, разумеется. Чудаковатый? Возможно. Но элегантный — нет. Элегантность нуждается в заботах и уходе, а у теоретика нет и никогда не было времени. Ни на поддержание элегантности, ни на праздное утопание в креслах. У него нет «нерабочего времени»! Физическая задача сродни головоломке — все становится простым, когда найдется «ключик». И мозг теоретика постоянно занят поискам этого «ключика» — за столом в рабочем кабинете, во время обеда, по дороге на работу и домой. Попытка за попыткой... И каждую догадку надо проверить расчетом. Растет стопка густо исписанных формулами и цифрам листов. И все не так, все напрасно... Не зря говорят, что теоретик работает в основном на корзину. Тяжелый неблагодарный труд, где озарения так редки. Но зато какие это бывают озарения!

Особой любовью у теоретиков пользуются «трепы» —шумные споры за стаканом чая или просто у окна в коридоре. Здесь можно услышать о последнем номере японского «Прогресса теоретической физики», о сенсационном фильме, о новом типе диаграмм, которые при думал стажер из четвертого сектора... Нередко долгожданная идея рождается тут же, у окна, в оживленной беседе. Неожиданный поворот мысли собеседника, упоминание о похожем случае, какие-то ассоциации — и вдруг ясно видите решение, над которым бились несколько дней.

Когда в Дубне строился новый корпус для теоретиков, Д. И. Блохинцев — он был в то время директором дубненского института — настоял на том, чтобы там была устроена специальная комната для «теортрепов», с самоваром, удобными креслами и большой черной доской во всю стену.

«Пусть говорят и спорят вволю, это себя окупит,— успокаивал он особенно ретивых администраторов, которым казалось, что теоретики слишком много времени проводят за разговорами. — Теоретик в современном институте — все равно что астролог при королевском дворе: он поднимает уровень дворцовой свиты!»