Охота за кварками

Чирков Юрий Георгиевич

Но и этого мало. Стенки резервуара должны быть увешаны тысячами архичувствительных регистрирующих счетчиков.

В общем-то идея эксперимента проста. Вот только реализовать ее не так-то легко. Ведь требуется, по пословице, обнаружить иголку в стоге сена.

Первая трудность — примеси в воде. Даже мельчайшие концентрации посторонних веществ в жидкости могут имитировать распад протона и ввести экспериментаторов в заблуждение.

Вторая трудность — наличие громадных объемов вещества, необходимого для обнаружения распадов протона, влечет за собой нужду в пропорционально большом

количестве регистрирующих приборов. К примеру, потребуются многие тысячи одних только фотоэлектронных умножителей.

Но еще больших хлопот доставляет проблема фона.

Искомый сигнал, свидетельствующий о распаде протона, может затеряться в шумах, вызванных не относящимися к делу явлениями.

Фон может быть внутренним, связанным с радиоактивностью воды и примесей, и внешним, космическим.

Этот наиболее неприятен.

Если установку расположить на поверхности Земли, то в кубометре воды за год произойдет примерно 10 ⁹реакций, вызванных космическими лучами. И отношение полезного сигнала к шумам будет ничтожным.

Космические лучи и гонят экспериментаторов под землю, заставляют размещать цистерны с водой в глубоких шахтах или туннелях. Стальные стенки метровой толщины не могут оградить испытуемое вещество от пришельцев из космоса, приходится в качестве щита использовать километровые земные толщи.

Но все эти трудности только раззадоривают физиков, мобилизуют их энергию, волю. Слишком велик научный куш, слишком высока цена победы!

Эксперимент века

Сейчас в поиски распадающихся протонов включились большие группы физиков на всех континентах, исключая лишь Австралию.

В СССР в Баксанской нейтринной обсерватории (Северный Кавказ) на глубине 850 метров под горой Андырча, что в Баксанском ущелье, успешно действует установка, вес которой около 300 тонн. Возможно, для этих же целей будет использована в будущем и соляная шахта вблизи города Артемовска на Украине.

Подобные же устройства функционируют в золотых, соляных и прочих шахтах Индии, Японии и других стран. Пока (данные 1983 года) самый большой детектор весом в 10 тысяч тонн воды находится в США в штате Огайо. Но Италия намерена побить этот рекорд — ввести в действие 12-тысячетонное устройство. А анализировать распады протона в нем будут черепковские счетчики.

Трудности подобных экспериментов становятся все очевиднее. Не так-то просто разместить такую уйму сверхчистой воды на глубинах в несколько километров.

Кроме того, в сырых и душных шахтах нелегко работать пе только экспериментаторам, но и приборам. А вот еще более серьезное затруднение.

Если время жизни протонов (обозначим его через t _p) значительно превышает 10 ³³лет (теоретики смогли установить только нижнюю границу их жизни), то сооружение более крупных детекторов может оказаться и вовсе бесполезным. Ибо вместе с ростом детекторов будет пропорционально расти и неустранимый фон шумов.

При t _pбольше 10 ³⁵лет в установках пойдут реакции,

инициированные нейтрино. Они практически полностью имитируют протонные распады. Остается лишь надеяться, что физикам повезет: что t _pменьше 10 ³⁵лет.

Многие научные обозреватели справедливо называют поиск распадающихся протонов экспериментом века.

И вот почему.

Прежде всего будет доказана (если протон нестабилен) реальность великого объединения. Со всеми вытекающими отсюда последствиями. Их стоит перечислить.

Во-первых, будет существенно подкреплена кварковая гипотеза.

Во-вторых, удастся приоткрыть завесу над таким загадочным обстоятельством, как отсутствие в нашей Вселенной антивещества.

И наконец, космологи с помощью физиков смогут проэкстраполировать процесс развития Вселенной далеко в будущее, вплоть до времени, когда Вселенной исполнится 10 ¹⁰⁰(!) лет. Если протон не вечен, то, по предсказаниям ученых, к этим почтенным срокам все протоны распадутся, а все галактики превратятся в «черные дыры»…

Эксперимент века должен решить множество проблем. Оттого-то физикам не терпится. Один из них выразился так: «Если уж протону суждено умереть, пусть он умрет у нас на руках и поскорей!»

А вот мнение Л. Окуня: «Если распад протона будет обнаружен экспериментально, то это надо будет рассматривать как особую благосклонность Природы к физикам». Ибо, продолжает ученый, «нам удалось бы заглянуть, как сквозь замочную скважину, в «горячую лабораторию» великого объединения». Поясним последние слова.

Ныне физики как бы пытаются по нескольким костям (распад протона) восстановить облик древнего ящера.

А если говорить без риторических фигур, они хотят понять суть явлений, масштабы которых сейчас кажутся фантастическими.

Это мир расстояний порядка 10 ^{– 29}сантиметра, или, по-иному, мир частиц (они уже получили особое название: векторные Х- и Y-бозоны) с чудовищными массами в 10 ¹⁵m _р, где m _p— масса протона.

Пояснить дерзость этого научного предприятия можно так. Если когда-нибудь и будет построен ускоритель с радиусом, равным радиусу земного шара, то и тогда можно было бы наблюдать частицы всего лишь с массой (10 ⁷– 10 ⁸)m _р. Если же мы во что бы то ни стало захотим добиться рождения Х- и Y-бозонов, то придется строить ускоритель длиной около светового года!

Теперь, надеемся, понятно, как заманчиво проникнуть в тайники природы окольными путями, не строя ускорителей, а изучая лишь распады протонов.

«Калибровочная» пустыня

И. Ньютон верил в простоту мира. «Природа довольствуется простотой, писал он, — и не любит пышности излишних причин». Однако «простота» И. Ньютона была позднее подправлена А. Эйнштейном, а сейчас многие физики считают, что и его уравнения также необходимо усложнить и модифицировать.