Охота на кварки

Тяжело далось Туру Хейердалу получение одного из доказательств своей теории. Но М. Гелл-Манну не было дано и такой возможности. Для доказательства правильности теории кварков надо было обнаружить эти гипотетические частицы.

После сенсационного открытия омега-минус-гиперона акции кварков поднялись. Кварки сразу превратились в лакомый кусочек для экспериментаторов. Началась охота на кварки. Ажиотаж охватил многие лаборатории. Кварки искали в странах восточного и в странах западного полушарий. Их искали на синхрофазотроне Дубны, на ускорителе ЦЕРНа и в Серпухове. Их ищут на самом большом ускорителе мира в Батавии.

Но знали ли экспериментаторы, что искали, как "выглядят" эти кварки? И да, и нет. Твердо известно было только одно: у них дробный электрический заряд. А вот относительно массы - полная неопределенность. По теории кварки могли быть втрое легче протона, но могли весить целую тонну!

Если бы кварки были легче протонов или хотя бы менее массивны, чем самая тяжелая из известных на сегодня частиц-резонансов, их бы давно обнаружили на ускорителях. Даже дробный заряд не помог бы им скрыться от опытного взгляда экспериментаторов. Просто их след в фотоэмульсии был бы тоньше и бледнее, чем у обычных частиц с такой же энергией.

Повседневный опыт нас убедил, что чем крупнее вещь, тем она заметнее и тем легче ее обнаружить. Ведь разыскать в комнате пропавшую книгу несравненно легче, чем маленькую иголку. Казалось бы, так же должны обстоять дела и с поиском тяжелых частиц.

Но в опытах на ускорителях кварки не ищут, а пытаются "создать". И энергия столкновения, необходимая для того, чтобы вызвать к жизни этот фантастический призрак микромира, должна быть прямо пропорциональна массе кварка.

Все опыты, проведенные на ускорителях до сих пор, закончились отрицательным результатом: свободные кварки не были найдены. По-видимому, ускоренным протонам пока еще не хватает энергии для рождения тяжелого кварка.

Если отбросить крайне завышенную и крайне заниженную оценки массы кварка, как это делается при оценке выступлений фигуристов, то наиболее приемлемой кажется величина в несколько протонных масс.

Но как можно из трех кварков, каждый из которых в несколько раз тяжелее протона, сложить протон? Задача эта не столь уж неразрешима, как кажется. Ядро дейтерия - тяжелого изотопа водорода - состоит из протона и нейтрона, а масса его чуть меньше суммы масс протона и нейтрона. И масса любого ядра всегда меньше суммы масс всех его нейтронов и протонов. Разница идет на энергию взаимодействия, удерживающего нуклоны в ядре.

Посмотрите, как двухлетний малыш легко укладывает в коробку вынутые из нее кубики. Здесь все просто. Общий объем кубиков в точности соответствует объему самой коробки. Но предложите ему уложить в маленькую коробку три огромных надутых резиновых шара. Такую просьбу он воспримет просто как шутку или издевательство. Она покажется ему совершенно невыполнимой.

А между тем задача эта совершенно аналогична той, о которой только что шла речь: как представить себе протон, состоящий из трех тяжелых кварков? Коробка с тремя шариками подскажет ее решение.

Давайте выпустим из каждого шарика столько воздуха, чтобы все они поместились в эту маленькую коробочку. И вот перед вами наглядная модель протона из трех кварков. Не беда, что кварки теряют чуть не 90 процентов своей массы. Этой потере по формуле Эйнштейна соответствует огромная энергия связи, возникающая при соединении их в одну элементарную частицу.

Возможно, кварки неуловимы из-за того, что у существующих ускорителей не хватает энергии, чтобы "надуть" кварковые "шарики"?

Обратимся тогда к космическим лучам. Может быть, у них хватит на это энергии?

В атмосферу Земли посланцы далеких миров попадают с необыкновенно большой энергией. Энергия космических лучей в сто и тысячу миллионов раз больше той, которую могут сообщить протонам ускорители. И что, если там, в заоблачных высях, в ядерных катастрофах рождаются необыкновенные кварки?

Ученые тщательно пересмотрели множество облученных в космических лучах фотоэмульсий, но все безрезультатно.

И вдруг осенью 1969 года научный мир всколыхнуло известие, полученное с Международной конференции в Будапеште. Руководитель центра по изучению космических лучей в Австралии профессор Маккаскер сообщил об открытии кварков!

Он помещал в камеру Вильсона в центр широких атмосферных ливней - плотных потоков частиц, - которые создавались протонами чудовищной энергии в 1019 - 1020 электрон-вольт, приходящих из глубины космоса. И именно здесь Маккаскер и нашел, как ему показалось, эти гипотетические частицы. Среди 60 000 следов частиц, сфотографированных в камере Вильсона, пять оказались вдвое бледнее. Это как будто соответствовало вдвое меньшей ионизации. Именно такой след и должны были оставить кварки с зарядом, равным 2/3 заряда электрона.

Опыт Маккаскера стал сенсацией в научно-популярной прессе. Но ученые, непосредственно заинтересованные в открытии кварков, были гораздо сдержаннее.

Несомненно, что следы на фотографиях Маккаскера были похожи на кварковые, но существует множество посторонних причин, по которым следы эти могли возникнуть. В сообщении австралийского ученого не было главного - контрольного анализа, и это сразу поставило под сомнение результат эксперимента.

В то время как одни искали кварки на ускорителях, а другие в космических лучах, третьи пытались обнаружить их в тончайших экспериментах на... лабораторном столе.

"Не мытьем, так катаньем", - говорит народная поговорка. "Не можем создать, так будем искать", - решили ученые.

По теории один из трех кварков должен быть стабильным. И если кварки хоть изредка, да образуются в атмосфере, то, постепенно тормозясь, они будут накапливаться в обычной материи. В почве, в морской воде, в воздухе, во всем, что нас окружает, могут находиться свободные остановившиеся кварки либо же ядра, присоединившие к себе такой кварк.

Но чем отличается, например, капля воды, заряженная кварками, от капли, заряженной электронами? Первая имеет дробный электрический заряд, а вторая - кратный заряду электрона.

И проблема поисков кварков превратилась в проблему поисков дробного электрического заряда в частичках угля, в метеоритах, в капельках воды и в воздухе. Методы, традиционные для физики элементарных частиц, уступили место традиционным методам макрофизики.

Таким образом, стремление обнаружить еще более элементарные частицы материи привело ученых к опытам с макрообъектами. Группа физиков Московского университета с большой точностью измерила заряды угольных пылинок, капелек воды, но дробного заряда не обнаружила. Не обнаружили его и американские и итальянские исследователи.

Общий вывод, к которому пришли ученые, такой: если кварки и существуют в природе, то их в 10¹⁷ - 10¹⁸ раз меньше, чем нуклонов. Да, малость этой цифры производит удручающее впечатление. Но не на самих ученых.

Поиски кварков продолжаются до сих пор.

И вот что интересно. Советские физики-теоретики Я. Зельдович, Л. Окунь и С. Пикельнер сделали попытку теоретически подсчитать: сколько же замедлившихся кварков может быть на Земле? Оценка дала мизерную величину: кварков в 10¹⁰ - 10¹³ раз меньше, чем нуклонов.

По признанию члена-корреспондента АН СССР Е. Фейнберга: "Это уже снимает некоторую тяжесть с души: понятно, почему их до сих пор не замечали, даже если кварки - реальность".

Весной 1971 года в журналах появилось новое сообщение о наблюдении дробного заряда. Ниобиевый шарик, охлажденный до температуры жидкого гелия, "подвешивался" на магнитных силовых линиях между обкладками конденсатора в вакууме. Шарик попеременно обстреливали положительными и отрицательными электронами из радиоактивных источников, автоматически подводившимися к нему.

После такой операции заряд шарика, кратный электронному, должен был полностью компенсироваться. Но когда к обкладкам конденсатора подвели высокочастотное поле, шарик повел себя так, будто у него дробный заряд, равный 1/3 заряда электрона. Значит, кварки найдены?

Трудно сказать. Этому опыту, как и результатам Маккаскера, не хватает доказательности.

"По-видимому, можно утверждать, что нет таких частиц с массой меньше 6-8 Гэв (то есть в 6-8 раз тяжелее нуклонов)", - пишет академик Я. Зельдович. "Либо они не столь уж тяжелы (скажем, масса кварка приблизительно равна 2,5 массы протона), но сильно взаимодействует с пи-мезонами и потому... в ходе конкуренции разных процессов уступают место пионам", - такого мнения придерживается член-корреспондент АН СССР Е. Фейнберг.

"Сомнительно, что кварки существуют в свободном состоянии. Так же, как звук не существует в пустоте, так и кварки не могут существовать в свободном состоянии, хотя возможно, что они играют важную роль в структуре элементарных частиц", - сказал член-корреспондент АН СССР Д. Блохинцев.

Спустя полгода после создания кварковой модели ее автор, американский ученый М. Гелл-Манн, приехал в Дубну на Международную конференцию по физике высоких энергий. На заданный ему вопрос: "Существуют ли кварки?" - он ответил совсем коротко: "Кто знает?" ("Who knows?")

"Боюсь, что нужно было бы другое перо - перо писателя, чтобы передать все, что он вложил в эти два коротких слова. Здесь звучало огромное уважение к эксперименту, который в последнем счете решает и ведет науку вперед; здесь была и присущая М. Гелл-Манну интеллектуальная смелость, и чувство нового, и готовность принять все, что дает природа, и создать из этого новую теорию, вызвать к жизни новые эксперименты", - так оценил ответ М. Гелл-Манна академик Я. Зельдович.