Частица-призрак

Серпуховской ускоритель... Вернемся еще раз к этому уникальному инструменту физики элементарных частиц. Он позволяет проникать в такие заповедные глубины материи, где каждый шаг вперед - открытие, хотя делать эти шаги все тяжелее и тяжелее.

Трудно оторвать глаза от четкой линии кольцевого магнита. Но что это? Почти идеальная симметрия серпуховского магнита нарушена. Между двумя его прямолинейными секциями вокруг вакуумной камеры ускорителя появилось большое, около 5 метров в диаметре, шарообразное сооружение. "Установка для регистрации монополя Дирака" - так официально называют его физики. А попросту говоря, это новейшая конструкция ловушки для одной из самых призрачных частиц, о встрече с которой давно мечтают ученые.

Электромагнитные взаимодействия - это, пожалуй, единственная область современной физики, где, как говорит профессор Я. Смородинский, "теория и опыт согласуются уже сейчас до тысячных долей процента, оставляя физиков в почтительном изумлении перед всеобъемлющей силой электродинамики, честно описывающей процессы в галактиках и в атомных ядрах".

Но даже в ней, в квантовой электродинамике, в которой многие видят прообраз будущей теории элементарных частиц, есть еще "белые пятна". Одно из них - это то, что необыкновенно разные по массе, по времени жизни и по "другим свойствам элементарные частицы имеют совершенно одинаковый электрический заряд, в точности равный заряду электрона.

Единственное объяснение этому удивительному экспериментальному факту дал в 1931 году П. Дирак. Его замечательное ypaвнение для электрона, лежащего в основе электродинамики, впервые распахнуло двери в антимир. И оно же позволило ему сделать еще один важный вывод о возможности существования частицы с магнитным зарядом - так называемого монополя.

Если монополь - реальность, то согласно теории сразу получается, что электрические заряды всегда должны быть кратны кванту электричества, равному заряду электрона. После открытия позитрона ученые уже гораздо серьезнее отнеслись и ко второму предсказанию.

Сорок с лишним лет прошло с тех пор, как была высказана эта идея. Но и сегодня нет иных конкурирующих с ней гипотез. И конечно, экспериментаторы давно прилагают усилия для поисков монополя. Подобно миражу в пустыне, дразнит он воображение и заставляет ученых предпринимать все более и более изощренные попытки обнаружить его.

Известно ли что-нибудь физикам об этой частице- призраке? Не напоминают ли поиски ее ситуацию, так хорошо описанную в русских народных сказках: "Пойди туда, не знаю куда, найди то, не знаю что"?

Герой одной детективной пьесы говорит, что "он не обучен поиску преступника-призрака, что он должен знать о нем хоть что-нибудь конкретное".

Теория не балует ни охотников за кварками, ни охотников за монополем. И те и другие имеют в руках только одну твердо установленную примету: дробный электрический заряд у кварков и большой, в семьдесят раз больший электронного, магнитный заряд у частицы, предсказанной П. Дираком.

Сведений, как видите, не так уж много; скорее даже очень мало. Но если опытный следователь даже по анализу пыли на костюме обвиняемого может воссоздать картину преступления, то физик, исходя из величины магнитного заряда частицы, может в какой-то мере представить ее поведение в веществе.

Заряд - важнейшая улика, скрыть которую невозможно. Очень сильное электромагнитное взаимодействие- вот чем монополь отличается от всех других элементарных частиц. Попади он в фотоэмульсию, в ней после проявления был бы такой же густой и толстый след, какой оставляет тяжелое ядро.

Монополь со столь большим зарядом должен легко подчиняться влиянию магнитного поля. Даже слабое поле Земли будет действовать на него так же, как действует на электрон электрическое поле величиной 100 000 вольт/см!

Нельзя ли как-то использовать такое необычное обстоятельство для его обнаружения?

Задолго до появления мощных ускорителей родилась идея поискать в природе свободные монополи, которые могли попасть на Землю в составе космических лучей или возникнуть в земной атмосфере. Но где их искать? Ведь никому не известно, куда именно попали они, прилетев к нам на Землю.

И тут всплывает главная примета монополя: магнитный заряд делает его особенно чувствительным к магнитным веществам. Эта частица должна будет дрейфовать по силовым линиям магнитного поля нашей планеты до тех пор, пока не встретит на своем пути железо или железные руды. Взаимодействуя с ними, частицы будут накапливаться в этих породах.

Попавшую в глаз металлическую соринку извлекают с помощью магнита, подведенного к глазу. Точно так же, с помощью сильного магнитного поля, пытались вытягивать монополи возможно, застрявшие в магнитных породах.

В США в горах Адирондака, где есть выходы на поверхность магнетитовых пород, прямо на скалах установили мощный импульсный соленоид. Магнитное поле в центре соленоида и на поверхности скалы составляло 60 килогаусс. В верхней части соленоида располагались слои фотоэмульсии, на которых обязательно должен был "расписаться" каждый монополь, вытянутый из породы и ускоренный в соленоиде. Но когда эмульсия была проявлена, оказалось, что она не содержит ни одного желанного "автографа".

Пробовали "отсасывать" монополи из железных метеоритов, которые в течение сотен миллионов лет блуждали в просторах космоса. Искали в образцах магнитных минералов, добытых со дна океана: быстрые монополи, рождающиеся при столкновении космических частиц с энергией до 10²⁰ электрон-вольт с веществом атмосферы, могли накапливаться здесь в течение миллионов лет. Но поиски были безуспешны.

Пытались ученые найти следы быстрых космических монополей в слюде и в вулканическом стекле. Но следов таких частиц обнаружить не удалось.

Несколько лет назад, когда участники экспедиции "Аполлон-11" впервые доставили на Землю лунный грунт, профессор Альварец из Калифорнийского университета поставил оригинальный опыт. Он решил поискать монополи в образцах лунной породы. Возраст Луны достаточно солидный (3-4 миллиарда лет), поверхность ее изменялась незначительно, и там могло накопиться достаточно много космических монополей.

Драгоценную породу на медленно движущейся ленте много раз протаскивали через электрический контур из сверхпроводящего материала. Монополи - это заряды- источники мощного магнитного поля. А раз так, то в замкнутом проводнике должен возникать электрический ток.

Исследованию подверглись почти все девять килограммов грунта, привезенного американскими космонавтами. Но наведенного тока обнаружить не удалось.

Казалось бы, можно сделать окончательный вывод, что монополей в природе не существует. Но физики такого вывода не сделали. Ведь в точности никому не известно, как ведут себя монополи в веществе. В опытах по вытягиванию их из разных веществ предполагалось, что за время накопления с монополями ничего не происходило. Но откуда взялась такая уверенность?

А вот и еще одна неопределенность. По некоторым расчетам получалось, что энергия связи монополя в веществе равна химической - всего нескольким электрон- вольтам. Но по другим расчетам энергия эта может достигать сотен мега-электрон-вольт! Но тогда извлекать монополи из породы с помощью магнитного поля попросту невозможно...

Первые опыты в Беркли на протонах с энергией всего 7 Гэв не изменили сложившейся ситуации. Не изменили ее и опыты с протонами с энергией 30 Гэв. Физики предполагают, что пары монополей, как и другие элементарные частицы, могут рождаться при столкновении частиц высокой энергии с веществом. Но какой энергии? Теория П. Дирака не отвечает на этот вопрос. Необходимая для рождения монополя энергия зависит от его массы, а о ней нам ничего не известно.

Итак, ни одного утешительного результата за двадцать лет непрёрывных поисков этой частицы-призрака. За столь длительный срок ученые могли и охладеть к проблеме монополя.

Но вот что сказал несколько лет назад сам автор теории монополя П. Дирак: "После того как я установил существование позитрона, я пришел к мысли о существовании новой частицы - магнитного монополя. Это обосновывается замечательными по красоте математическими вычислениями, и мы будем счастливы, если окажется, что монополи действительно существуют в природе и великолепные математические расчеты будут иметь применение".

Нет, П. Дирак не отказался от своего предсказания. И появление шарообразного, похожего на спутник устройства на камере Серпуховского ускорителя - лучшее свидетельство тому, что поиски этой частицы продолжаются с неослабевающим интересом. Серпухов открыл?

новую страницу в летописи поисков монополей П. Дирака. Энергия, которую частицы приобретают в ускорителе, достаточна для создания монополей в пять раз тяжелее протонов.

В первых экспериментах в Серпухове группа физиков Института атомной энергии имени И. В. Курчатова помещала в поток протонов огромной энергии мишень, в которой, как предполагалось, и должны были рождаться монополи с разными знаками магнитных зарядов. Магнитное поле ускорителя должно было отклонять их в противоположные стороны, где находились накопительные пленки из ферромагнитного вещества. Через полтора года, в течение которых в них могли накапливаться монополи, пленки поместили в магнитное поле величиной более 2⋅10⁵ эрстед. И опять неудача! Не было обнаружено ни одной частицы.

Эти эксперименты не были похожи на прежние поиски монополей в природе, напоминавшие розыски неизвестно где зарытого клада. Теперь ученые точно знали, где могли возникнуть таинственные частицы, но обнаружить их пытались, к сожалению, методом накопления, имеющим определенные недостатки.

Избавиться от них можно было только в том случае, если регистрировать монополи сразу, в момент их рождения. Вот такая установка и появилась на Серпуховском ускорителе. На этот раз в поисках частицы. Дирака приняла участие интернациональная группа сотрудников Объединенного института ядерных исследований.

Любую заряженную частицу, движущуюся в веществе быстрее света, можно обнаружить по электромагнитному черенковскому излучению, названному так в честь автора открытия, лауреата Нобелевской премии академика П. Черенкова. Сейчас метод регистрации сверхбыстрых частиц по черенковскому излучению - один из основных в физике высоких энергий.

На этой идее и строился новый опыт. Был использован тот факт, что на Серпуховском ускорителе могли рождаться частицы со скоростью, близкой к скорости света в вакууме. Попадая же в вещество, такая частица испускает черенковское излучение. Из специального шлюза с помощью автоматики выдвигался и закреплялся в центре вакуумной камеры небольшой, тщательно отполированный конус из оптического кварца.

Пролетая сквозь кусок кварца - сердце черенковского счетчика, частицы, рожденные столкновением пучка протонов с кварцем, сразу должны высвечиваться в нем. А спрятанная под кожухом сложная оптическая система из линз и фотоумножителей - собирать и регистрировать этот свет.

Экспериментаторы наблюдали по телевизору за положением мишени, видели, как изумительно полыхала и переливалась-она при встрече с протонным пучком. И казалось невероятным, что среди этого сияния фотоумножители могут уловить лучи, принадлежащие именно монополю.

Но физики не сомневались в этом. Их прибор со стопроцентной вероятностью мог обнаружить каждый монополь, возникающий в установке, ведь по теории, за которую академики И. Тамм и И. Франк получили Нобелевскую премию, магнитный заряд излучает в 10⁴ раз больше света, чем любая другая заряженная частица.

Более того, монополь Дирака будет зарегистрирован, если он окажется нестабильным и возникнет лишь на короткий миг. "Я просто убежден, - говорил руководитель этого эксперимента кандидат физико-математических наук В. Зрелов, - что магнитные заряды существуют. Пока нет абсолютного теоретического запрета, а придумать такой запрет ничуть не проще, чем открыть монополь. Вы уже знаете, как рухнул ряд основных положений физики, может быть, догматических, в области слабых взаимодействий. Мне кажется, что в настоящее время положение таково, что чем жестче запрещающий теоретический принцип, тем яростней его атакуют физики-экспериментаторы. Я думаю, что кому-то все-таки повезет открыть монополь".

В 1972 году вступил в строй самый большой ускоритель протонов в Батавии близ Чикаго на энергию 400 Гэв. Новая машина - новые задачи?

Нет, задачи остались прежними, поскольку они все еще не решены. Уникальная установка В. Никитина со струйной водородной мишенью перекочевала вместе со своими создателями за океан для измерений в новой области энергий протонов. Более половины всех проектов экспериментов, предложенных для осуществления в Батавии, относится к поискам кварков и монополя Дирака. Продолжаются настойчивые поиски промежуточного бозона - переносчика слабых взаимодействий. Очень важны опыты с нейтрино недоступных ранее энергий, представляющие большой интерес для проверки новой теории слабых взаимодействий С. Вайнберга. Эту теорию один из ведущих теоретиков назвал самым крупным достижением за последние 15 лет. Усилия, как мы видим, сосредоточены на немногих узловых проблемах.

В 1969 году физик-теоретик Ю. Швингер еще более сузил круг экспериментальных задач, предложив гипотезу, по которой составной частью всех элементарных частиц является дайон. А как же кварковая модель материи?

И монополи и кварки в несколько раз тяжелее протонов и связаны с представлением о существовании новых видов материи. Ю. Швингер соединил "судьбы" этих двух частиц: проблему электромагнитных взаимодействий - монополь Дирака - он объединил с проблемой классификации элементарных частиц - кварками. Если монополь будет найден, сразу же прояснится, почему все электрические заряды кратны. Но в тот же миг исчезнет идея кварков, частиц с зарядом 1/3 и 2/3 заряда электрона.

Дайон, предлагаемый Ю. Швингером, спасает положение. Только дайон, частица с магнитным зарядом, может иметь, по теории, дробный электрический заряд.

Дробный электрический заряд этого гибрида совместим с целочисленным зарядом, кратным заряду электрона, элементарных частиц, не имеющих магнитного заряда. Если бы дайоны нашлись, то это помогло бы объяснить даже нарушение CP-симметрии в слабых взаимодействиях.

Смогут ли экспериментаторы дать четкие ответы на поставленные теоретиками вопросы? Достаточно ли их будет для построения новой теории элементарных частиц? Пока это неизвестно. Может быть, все решится в течение ближайших нескольких лет, а может быть, полученные ответы приведут к появлению нового круга вопросов. Ручаться можно лишь за "беспредельность непознанного и бесконечность радостного пути познания".

Недаром в финале копенгагенского "Фауста", написанного учениками Н. Бора и исполненного на "капустнике", завершившем конференцию теоретиков в 1932 году, Мефистофель говорил:

Эксперимент - как откровенье: 
Пусть в нем теорий ни крупицы, 
Зовет нас к новым размышленьям 
Природы новая страница.