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 симметрии 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.
В этом плане физики часто говорят, что четвертый кварк проник в число фундаментальных составляющих адрона "по запросу" теории слабых взаимодействий. Зато другое, более крупное расширение таблицы кварков произошло из-за одной неприятной особенности в объяснении структуры адронов, которая возникла буквально вместе с трехкварковой моделью.
Некоторые адроны должны были составляться из набора одинаковых кварков, и хотя бы два из них вынуждены были находиться вдвоем или втроем в одинаковом состоянии.
Попытки найти выход из столь трудного положения начались сразу же после появления гипотезы кварков и привели к модели с утроенным кварковым миром, сформулированной в 1965 году академиком Н. Боголюбовым и его учениками и независимо от них американскими теоретиками М. Ханом и И. Намбу Предполагалось, что существует три типа кварков, различающихся по какому-то признаку. Впоследствии этот признак назвали "цветом" и условились "раскрашивать" кварки одной из трех красок - желтой, синей или красной. Обычные адроны считались "белыми" частицами, что, естественно, имеет место при равномерном смешении трех указанных цветов (проверьте сами, если увлекаетесь рисованием). Теперь, например, тот же омега-гиперон включает уже три разноцветных лямбда-кварка, и никаких неприятностей с применением принципа Паули не возникает - ведь речь идет о трех различных частицах. В общем, как вы видите, кварковая модель находится в процессе развития и существуют различные интересные варианты оригинальной реализации призраков в будущих экспериментах.
Но еще любопытней оказалась другая точка зрения. Многие физики, подавленные неудачами в поиске кварков с дробными или целыми зарядами, стали утверждать, что призраки никогда и не объявятся. Во всяком случае, их нельзя будет зарегистрировать как обычные частицы по следам и даже косвенными методами, как в случае резонансов. Они могут существовать только внутри адрона, навеки запертые в своей темнице гигантскими силами, которые не убывают, а возрастают с увеличением расстояния. Так что никакими могучими воздействиями кварк из адрона добыть невозможно, и тогда уж действительно стоит говорить о "бедненьких привидениях".
Последующее развитие эксперимента и теории превратили эти первоначальные подозрения в весьма правдоподобную гипотезу. Судя по всему, следующий уровень строения вещества не желал повторять пройденное...
Итак, настал момент, когда необходимо подвести некоторые итоги. Мы с вами стали свидетелями различных периодов в развитии физики элементарных частиц.
Казалось бы, не так уж далеки те времена, когда было открыто очень мало частиц, скажем, только три - электрон, фотон и протон, - и естественно, что современники рассматривали их как истинно элементарные "кирпичики мироздания". Когда количество известных частиц увеличилось едва ли не в 100 раз, физикам стало ясно, что "кирпичиков" слишком много, чтобы каждый из них мог претендовать на такую почетную роль. Прежде всего свое сложное устройство продемонстрировали адроны - именно они стали первыми кандидатами на роль составных "элементарных" частиц и, по сути дела, утратили право называться элементарными.
Кварковая модель подытожила в определенном смысле наши представления о возможной составной природе адронов. Их классификация выглядит на сегодняшний день столь убедительно, что большинство физиков уверены в правильности гипотезы о кварковом строении. Все сильней становится подозрение - скорее уже уверенность! - что кварки должны сыграть примерно такую же роль в понимании таблицы элементарных частиц, как атомы в понимании периодической системы элементов Д. Менделеева
Потому многие физики склонны считать, что уже существует принципиальная схема для построения таблицы истинно элементарных частиц, где не найдется места ни для одного из экспериментально открытых на сегодняшний день адронов! Что же должно включаться в эту гипотетическую таблицу?
В ней по-прежнему будут обитать фотон и четыре типа лептонов. Впрочем, эксперимент указывает и на возможное образование нового типа лептонов тяжелого эл-лептона, масса которого значительно больше массы мюона. К ним присоединятся своеобразные субадроны: 12 кварков, а для обеспечения связи между кварками могут вводиться особые частицы глюоны (от английского glue клей).
Стоит еще раз напомнить, что кварки, о которых здесь сказано, являются лишь различными состояниями одной частицы, которые существуют в нашем реальном мире, где включены все типы взаимодействий. То же самое относится и к глюонам - на самом деле можно говорить об одном глюоне, имея в виду его расщепление на 8 различных состояний в нашем реальном мире.
К этим частицам впоследствии может присоединиться еще один гипотетический тип частиц - так называемые дубль-вз-мезоны и зэт-ноль-мезоны - особая разновидность квантов, обеспечивающих слабые взаимодействия элементарных частиц подобно тому, как фотоны обеспечивают электромагнитные взаимодействия.
К обсуждению гипотетических переносчиков взаимодействия глюонов, дубль-вэ- и зэт-мезонов мы еще возвратимся в следующей главе. Здесь же для нас важно почувствовать общую современную тенденцию к сокращению числа истинно элементарных частиц.
В таком проекте адронам отводится роль сложных составных объектов, все свойства которых можно выводить из их кварковой структуры, подобно тому, как все свойства атомов можно вывести, зная законы их строения, из ядер и электронов. Казалось бы, все выглядит просто и пригоже - стоит только отыскать кварки и другие, пока гипотетические, частицы, и мы сможем получить экспериментально обоснованную новую картину микромира.
Но не будем забывать, что перед нами только проект, причем проект, основанный на довольно прямой аналогии с устройством уже известного атомного уровня строения вещества. А ведь история не очень любит "возвращаться на круги своя". Не все так уж просто с применением аналогий при движении в глубь вещества. Далеко не все так просто...
Нет, например, никакой уверенности, что мы действительно сумеем извлечь кварки из адронов в виде каких-то отдельно существующих частиц. Не исключено и такое на первый взгляд парадоксальное положение дел, что вопрос о кварках вне адронов вообще лишен смысла. Что же касается поведения кварков и их свойств, когда они находятся внутри адрона, то отнюдь не ясно, можно ли говорить вообще о движении каких-то объектов типа обычных элементарных частиц в столь плотном веществе. Ведь средняя плотность адрона примерно в 1014 раз превышает плотность обычной воды, и ни одно из известных науке веществ не обладает даже близкой плотностью...
Как должны вести себя силы, действующие между кварками? Пока на этот вопрос мы можем отвечать, пользуясь лишь косвенными данными, то есть непосредственно изучая только силы взаимодействия между адронами или между адронами и лептонами или адронами и фотоном. Если реальные кварки не будут обнаружены, то у нас так никогда и не появится иного способа исследования межкварковых сил.
ТАК МОЖЕТ ВЫГЛЯДЕТЬ В НЕДАЛЕКОМ БУДУЩЕМ,
ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
классы частицы символ название
фотон y фотон лептоны vе нейтрино электронное
vu нейтрино мюонное
е электрон
u мюон
мезоны
W дубль-вэ-мезоны
Z0 зэт-мезон
. .
. .
. ?
субадроны
кварки
p пэ-кварк Х 3 "цвета"
n эн-кварк (желтый, синий, красный)
Л лямбда-кварк
с цэ-кварк
.
.
.
глюоны g1 глюоны Х 3 "цвета"
g2 (желтый, синий, красный)
g3
.
.
g8
.
.
?
Что же может получиться? Не сведется ли все к тому, что кварки так и нельзя будет отделить от наблюдаемых адронов и изучить независимым образом? Но в таком случае адроны должны будут по-прежнему фигурировать в таблице элементарных частиц...
Видимо, реальная ситуация в физике элементарных частиц несколько сложней, чем мы до сих пор ее себе представляли. И необходимо подробней разобраться в свойствах тех взаимодействий, которые обусловили наблюдаемое многообразие микромира...
(C) Александр Потупа (Alexander Potupa) Бег за бесконечностью. Молодая гвардия (Эврика), Москва, 1977 (Run for Infinity; переводы: на венгерский - Utazas az elemi reszecskek vilagaba. Muszaki Konyvkiado,Budapest, 1980; на болгарский - Гонене на безкрайността. Наука и изкуство (Еврика), София, 1980)
ГЛАВА ПЯТАЯ, ГДЕ РАССКАЗАНО ОБ ОЧЕНЬ СЛОЖНЫХ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦАХ - АДРОНАХ
Проект - это черновик будущего. Иной раз будущее требует сотни черновиков
Ж. Ренар
КАК ВЫГЛЯДИТ АДРОН?
Исследуя любую структуру, человек должен прежде всего найти способы воздействия на нее. Только это позволит ему понять роль отдельных элементов структуры и их взаимосвязи. Так поступает едва ли не каждый ребенок, получивший в подарок красивую и сложно устроенную игрушку. Малыш со всей доступной ему скоростью стремится проникнуть в секреты механизма, чаще всего безнадежно портит всю хитроумную внутреннюю механику, но и это полезные шаги к постижению мира. Пожалуй, любому из нас знакома хотя бы раз в жизни нападающая страсть - разобрать часы до последнего винтика.
Конечно, проникновение в каждую структуру требует особого инструмента. Игрушку можно разломать, пользуясь обычным молотком или другой "железкой". Чтобы аккуратно разобрать часы, необходимы гораздо более тонкие приспособления - специальные отвертки и пинцеты. При этом, как правило, мастер вынужден применять увеличительное стекло, с помощью которого четко различает мелкие детали.
Чтобы рассмотреть, скажем, кристаллическую структуру обычного вещества, исследователи применяют рентгеновские лучи, имеющие столь малую длину волны, что они чувствуют уже микроскопические детали строения. Еще сложнее увидеть отдельные молекулы и атомы - теперь уже необходимо применять особо короткие дебройлевские волны, связанные с потоками быстрых электронов или ионов.
А как быть в случае элементарных частиц, которые представляют собой вроде бы простейшие структурные составляющие вещества? Интуитивно ясно, что при изучении структуры каких либо объектов хорошо бы использовать наиболее простые из них. Например, по отношению к атомам такими более простыми объектами могут служить атомные ядра или отдельные элементарные частицы. Для самих же частиц остается единственный способ выяснения их структуры бомбардировка такими же частицами.
Не существует какого-либо инструмента с заранее известными свойствами, которым можно было бы почувствовать детали строения отдельного представителя микромира. Ведь каждый инструмент должен, в свою очередь, состоять из элементарных частиц. Это и определяет специфику исследования мельчайших составляющих вещества. Все опыты в данной области должны быть устроены по образцу тех мысленных экспериментов по рассеянию электронов, которые мы рассматривали во второй главе, в связи с вероятностной трактовкой квантовой механики.
В начальный момент времени имеются только свободные частицы, скажем, в пучке ускорителя и в веществе мишени. Когда частицы ускоряются до нужной энергии, пучок сбрасывается на мишень и за очень малое время происходит взаимодействие между частицами пучка и мишени. После взаимодействия исходные частицы, которые присутствовали вначале, и вновь родившиеся разлетаются и регистрируются специальной аппаратурой в некоторый конечный момент времени, когда их снова можно считать свободными.
Время движения частиц в свободном состоянии должно намного превышать тот промежуток времени, в терние которого они взаимодействуют. Действительно, длительность взаимодействия, как правило, очень мала - это микроскопическая величина, тогда как за время свободного движения частица должна успеть оставить макроскопический след. Поэтому физики часто говорят так: частицы приходят из минус бесконечности (- oo ), взаимодействуют в момент времени, который условно соответствует центру временной оси - нулю, и после взаимодействия уходят на плюс бесконечность (+ oo).
Особенно серьезные проблемы возникают в тех случаях, когда мы имеем дело с очень малыми размерами области взаимодействия, то есть того объема, в котором сталкивающиеся частицы вступают в определенный контакт друг с другом.
Например, сильные взаимодействия играют роль только в том случае, когда частицы находятся на микроскопически малых расстояниях. Протон и нейтрон могут испытывать сильнейшее взаимное притяжение, но стоит им разойтись на расстояние, заметно превышающее 10-13 сантиметра, и они начинают вести себя как свободные частицы
У физиков нет возможности поместить особую аппаратуру в столь малую область пространства. Как вы помните, всякое устройство для перевода информации с "микро" на "макро" должно состоять из огромного числа атомов. Поэтому, изучая сильные взаимодействия, приходится измерять непосредственно лишь характеристики (импульсы, массы, заряды) свободных частиц, находящихся на больших расстояниях друг от друга задолго до взаимодействия и через большой промежуток времени после того, как само взаимодействие прекращается. И только по закономерностям изменения этих характеристик мы можем судить о том, как устроены взаимодействия и как выглядят участвующие в них частицы.
Такое положение дел приводит к несколько непривычной картине, когда о строении объектов вообще ничего нельзя сказать вне исследования взаимодействия между ними. В свою очередь, силы, действующие между частицами, приходится довольно сложным образом реконструировать по тем закономерностям поведения частиц, которые наблюдаются в различных реакциях.
Но это может показаться удивительным лишь на первый взгляд. Ведь и в своем повседневном опыте мы, строго говоря, не можем изучать структуру какого-либо объекта, не оказывая на этот объект определенного воздействия.
Скажем, исследуя незнакомую комнату, мы непременно воспользуемся освещением, на худой конец, постараемся осторожно действовать на ощупь. Возможности осветить помещение, видеть или осязать предметы, находящиеся в нем, считаются как бы само собой разумеющимися. Поэтому мы обычно воспринимаем устройство такой комнаты как нечто раз и навсегда данное, не зависящее от способа воздействия. Между тем дело здесь просто в слабости этого воздействия. Разумеется, поток света из окна или от электролампы не способен что-либо разрушить в комнате, изменить расстановку мебели и т. п. Если же действовать в темноте и на ощупь, то нетрудно навести такой беспорядок, что и не догадаешься о первоначальном расположении предметов...
Вообразим теперь такую полуфантастическую ситуацию, когда перед нами находится какое-то сложное устройство внутри большого ящика, а забраться внутрь этого ящика и покопаться в его схеме нет никакой возможности. Скажем, ящик не поддается действию механических инструментов, которые находятся в нашем распоряжении, или в него нельзя заглядывать просто по условиям игры. Снаружи имеется некоторое число "входов", куда можно подавать сигналы определенные комбинации электрических токов, а также экран, на котором в ответ на любой "входной" сигнал появляется какой-то "выходной" сигнал, например, в виде графика поведения электрического тока.
Предположим теперь, что ни схема устройства, ни даже смысл подаваемых сигналов и ответов нам заранее неизвестны, а стоящая перед нами задача выяснить схему работы ящика и установить природу сигналов.
Эта воображаемая ситуация неплохо отражает характер проблем, стоящих перед исследователями микромира. Роль исходного сигнала играют частицы, выпускаемые из ускорителя на мишень, роль ответного - те частицы, которые получаются в результате реакции. А само хитроумное устройство ящика - это конкретные механизмы взаимодействия между частицами, определяющие правила их поведения во всевозможных реакциях.
Приведенный пример обычно называют "черным ящиком"; название возникло в кибернетике. Для физики оно не совсем подходит, поскольку в физике представление о каком-то "черном" объекте связано с такой характеристикой: он способен все поглощать, но ничего не выпускает, во всяком случае, не отражает. Но дело, конечно, не в словах. Основная ценность такого примера в ясной демонстрации активности экспериментатора. На ящик можно глубокомысленно взирать, но никогда не постичь его устройства, если не воздействовать на его "входы" всеми доступными сигналами и не осмысливать их связи с ответами.
При исследовании частиц, в частности адронов, физики так и поступают: они воздействуют одними частицами на другие и пытаются выяснить строение самих частиц и природу сил, действующих между частицами.
Адроны особенно интересны в этом отношении. Они оказались первыми элементарными частицами, которые, в сущности, неэлементарны и обладают сложной внутренней структурой.
Как вы помните, начальные подозрения в неэлементарности адронов были связаны просто с обилием адронного мира. Весь опыт науки подсказывал, что если наблюдается множество различных объектов одного класса, то они непременно должны быть составлены из гораздо меньшего количества более элементарных объектов. Такова, в сущности, атомистическая традиция, и она пока не подводила физиков.
Попытки свести все наблюдаемое многообразие адронов к каким-то более фундаментальным частицам привели к модели кварков, которая действительно позволяет "сконструировать" любой адрон из нескольких более простых частиц. Несмотря на то, что кварки не были выбиты из адронов, серьезных сомнений в составной природе сильно взаимодействующих представителей микромира у физиков нет.
Но вывод о том, что, скажем, протон составлен из трех кварков, еще не достаточен для полного понимания его структуры. Нужно знать закономерности сил, действующих между кварками, а также представлять себе дополнительные элементы структуры адрона. Нет ли внутри его каких-то иных объектов? Не потребуется ли дополнять чисто кварковую картину какими-либо новыми представлениями?
Важность вопросов такого типа хорошо видна на примере самых первых шагов в микромир. Как вы помните, открытие электрона сыграло решающую роль в постижении структуры атомов. Физики практически сразу осознали, что электроны - непременные составляющие атомов. Однако до тех пор, пока в резерфордовских экспериментах не было проведено прямое зондирование атомной структуры, об устройстве атомов существовали лишь более или менее правдоподобные догадки.
Нечто аналогичное произошло и в адронной физике. Попытки прямого зондирования структуры адронов были предприняты немедленно, как только в руках у исследователей оказались подходящие инструменты.
В 1956 году группа американских физиков под руководством Р. Хофстэдтера приступила к изучению взаимодействия электронов с нуклонами и дейтронами атомными ядрами дейтерия. Пучок электронов с очень большой (по тем временам!) энергией до 0,6 ГэВ выводился на мишени из водорода или дейтерия. Электроны рассеивались протонами или дейтронами, состоящими из протонов и нейтронов, на некоторые углы относительно направления падения пучка, и физики непосредственно изучали распределение рассеянных электронов по этим углам. Форма такого распределения и должна была дать информацию о строении адронов. В чем же заключалась идея опыта? Под какую модель он ставился?
Дело в том, что теория, а именно - квантовая электродинамика, считала, что электрон представляет собой совершенно бесструктурную, точечную частицу. Во всяком случае, при тех энергиях, при которых ставились опыты, никаких нарушений этого положения не должно было проявляться. Далее, согласно той же теории электрон должен был взаимодействовать с любым другим электрическим зарядом вполне определенным образом, обмениваясь фотоном.
В общем, электрон выступал в этом опыте как объект с достаточно хорошо известными свойствами. Поэтому с его помощью можно было четко выяснить и свойства других, возможно, более сложных объектов.
Если бы он взаимодействовал с такой же электрически заряженной бесструктурной частицей, то закономерности рассеяния можно было бы совершенно точно предсказать и на основе квантовой электродинамики. Иными словами, физики заранее знали, как будет выглядеть распределение рассеянных электронов, если адроны начисто лишены структуры, то есть являются точечными частицами. Имея определенный эталон для точечных адронов, физики вполне справедливо считали, что всякое отклонение от этого эталона окажется прямым доказательством существования структуры.
Конечно, теоретики имели и некоторые предварительные соображения о форме и размерах нуклонов и атомных ядер. Эти соображения основывались на многолетнем изучении ядерных сил в физике атомного ядра, на тех свойствах адронов, которые уже были известны из экспериментов по их взаимодействию и сводились к следующему.
Нуклоны взаимодействуют с большой интенсивностью. Взаимодействие между ними обусловлено обменом пи-мезонами. Следовательно, пи-мезоны испускаются и поглощаются нуклонами с большой вероятностью, гораздо большей, чем фотоны. Даже если нуклон "изолирован" от других адронов, он может испускать и тут же поглощать пи-мезоны, как бы взаимодействуя сам с собой. Такие пи-мезоны называются виртуальными, и они могут отойти от нуклона не очень далеко, на расстояние, не превышающее 10-13 сантиметра. Поскольку они испускаются очень часто, то вокруг нуклона образуется как бы пи-мезонное облако, а также и облака из других мезонов. Вокруг какого нуклона? Да того, который получился бы при полном выключении сильных взаимодействий, то есть точечного бесструктурного нуклона. В реальном мире такое выключение сделать нельзя, и поэтому нуклон всегда должен быть окружен мезонными облаками и как бы размазан по небольшому объему пространства.
Конечно, эти соображения носили лишь качественный характер - ведь настоящей теории ядерных сил не существовало! Однако они неплохо оправдались.
Эксперименты группы Р. Хофстэдтера показали, что протон и нейтрон обладают четко выраженной структурой. Нуклон не является точечной частицей, а представляет собой своеобразный сгусток какого-то особого вещества, размазанного по области с размером порядка 10-13 сантиметра. Энергия электронов в этих экспериментах как раз и позволяла заглянуть на такие расстояния и прощупать распределение электрического заряда во внешней оболочке нуклона.
Так сложная структура адронов была обнаружена экспериментально. Конечно же, сложное распределение электрического заряда было установлено для атомных ядер. Впоследствии прямые эксперименты позволили заглянуть и в пи-мезоны. У них тоже обнаружилась четко выраженная структура.
Во-первых, оказалось, что кварковую модель можно, а в некоторых случаях и необходимо, расширять и дополнять.
Как вы помните, в процессе развития теории симметрии 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.
В этом плане физики часто говорят, что четвертый кварк проник в число фундаментальных составляющих адрона "по запросу" теории слабых взаимодействий. Зато другое, более крупное расширение таблицы кварков произошло из-за одной неприятной особенности в объяснении структуры адронов, которая возникла буквально вместе с трехкварковой моделью.
Некоторые адроны должны были составляться из набора одинаковых кварков, и хотя бы два из них вынуждены были находиться вдвоем или втроем в одинаковом состоянии.
Попытки найти выход из столь трудного положения начались сразу же после появления гипотезы кварков и привели к модели с утроенным кварковым миром, сформулированной в 1965 году академиком Н. Боголюбовым и его учениками и независимо от них американскими теоретиками М. Ханом и И. Намбу Предполагалось, что существует три типа кварков, различающихся по какому-то признаку. Впоследствии этот признак назвали "цветом" и условились "раскрашивать" кварки одной из трех красок - желтой, синей или красной. Обычные адроны считались "белыми" частицами, что, естественно, имеет место при равномерном смешении трех указанных цветов (проверьте сами, если увлекаетесь рисованием). Теперь, например, тот же омега-гиперон включает уже три разноцветных лямбда-кварка, и никаких неприятностей с применением принципа Паули не возникает - ведь речь идет о трех различных частицах. В общем, как вы видите, кварковая модель находится в процессе развития и существуют различные интересные варианты оригинальной реализации призраков в будущих экспериментах.
Но еще любопытней оказалась другая точка зрения. Многие физики, подавленные неудачами в поиске кварков с дробными или целыми зарядами, стали утверждать, что призраки никогда и не объявятся. Во всяком случае, их нельзя будет зарегистрировать как обычные частицы по следам и даже косвенными методами, как в случае резонансов. Они могут существовать только внутри адрона, навеки запертые в своей темнице гигантскими силами, которые не убывают, а возрастают с увеличением расстояния. Так что никакими могучими воздействиями кварк из адрона добыть невозможно, и тогда уж действительно стоит говорить о "бедненьких привидениях".
Последующее развитие эксперимента и теории превратили эти первоначальные подозрения в весьма правдоподобную гипотезу. Судя по всему, следующий уровень строения вещества не желал повторять пройденное...
Итак, настал момент, когда необходимо подвести некоторые итоги. Мы с вами стали свидетелями различных периодов в развитии физики элементарных частиц.
Казалось бы, не так уж далеки те времена, когда было открыто очень мало частиц, скажем, только три - электрон, фотон и протон, - и естественно, что современники рассматривали их как истинно элементарные "кирпичики мироздания". Когда количество известных частиц увеличилось едва ли не в 100 раз, физикам стало ясно, что "кирпичиков" слишком много, чтобы каждый из них мог претендовать на такую почетную роль. Прежде всего свое сложное устройство продемонстрировали адроны - именно они стали первыми кандидатами на роль составных "элементарных" частиц и, по сути дела, утратили право называться элементарными.
Кварковая модель подытожила в определенном смысле наши представления о возможной составной природе адронов. Их классификация выглядит на сегодняшний день столь убедительно, что большинство физиков уверены в правильности гипотезы о кварковом строении. Все сильней становится подозрение - скорее уже уверенность! - что кварки должны сыграть примерно такую же роль в понимании таблицы элементарных частиц, как атомы в понимании периодической системы элементов Д. Менделеева
Потому многие физики склонны считать, что уже существует принципиальная схема для построения таблицы истинно элементарных частиц, где не найдется места ни для одного из экспериментально открытых на сегодняшний день адронов! Что же должно включаться в эту гипотетическую таблицу?
В ней по-прежнему будут обитать фотон и четыре типа лептонов. Впрочем, эксперимент указывает и на возможное образование нового типа лептонов тяжелого эл-лептона, масса которого значительно больше массы мюона. К ним присоединятся своеобразные субадроны: 12 кварков, а для обеспечения связи между кварками могут вводиться особые частицы глюоны (от английского glue клей).
Стоит еще раз напомнить, что кварки, о которых здесь сказано, являются лишь различными состояниями одной частицы, которые существуют в нашем реальном мире, где включены все типы взаимодействий. То же самое относится и к глюонам - на самом деле можно говорить об одном глюоне, имея в виду его расщепление на 8 различных состояний в нашем реальном мире.
К этим частицам впоследствии может присоединиться еще один гипотетический тип частиц - так называемые дубль-вз-мезоны и зэт-ноль-мезоны - особая разновидность квантов, обеспечивающих слабые взаимодействия элементарных частиц подобно тому, как фотоны обеспечивают электромагнитные взаимодействия.
К обсуждению гипотетических переносчиков взаимодействия глюонов, дубль-вэ- и зэт-мезонов мы еще возвратимся в следующей главе. Здесь же для нас важно почувствовать общую современную тенденцию к сокращению числа истинно элементарных частиц.
В таком проекте адронам отводится роль сложных составных объектов, все свойства которых можно выводить из их кварковой структуры, подобно тому, как все свойства атомов можно вывести, зная законы их строения, из ядер и электронов. Казалось бы, все выглядит просто и пригоже - стоит только отыскать кварки и другие, пока гипотетические, частицы, и мы сможем получить экспериментально обоснованную новую картину микромира.
Но не будем забывать, что перед нами только проект, причем проект, основанный на довольно прямой аналогии с устройством уже известного атомного уровня строения вещества. А ведь история не очень любит "возвращаться на круги своя". Не все так уж просто с применением аналогий при движении в глубь вещества. Далеко не все так просто...
Нет, например, никакой уверенности, что мы действительно сумеем извлечь кварки из адронов в виде каких-то отдельно существующих частиц. Не исключено и такое на первый взгляд парадоксальное положение дел, что вопрос о кварках вне адронов вообще лишен смысла. Что же касается поведения кварков и их свойств, когда они находятся внутри адрона, то отнюдь не ясно, можно ли говорить вообще о движении каких-то объектов типа обычных элементарных частиц в столь плотном веществе. Ведь средняя плотность адрона примерно в 1014 раз превышает плотность обычной воды, и ни одно из известных науке веществ не обладает даже близкой плотностью...
Как должны вести себя силы, действующие между кварками? Пока на этот вопрос мы можем отвечать, пользуясь лишь косвенными данными, то есть непосредственно изучая только силы взаимодействия между адронами или между адронами и лептонами или адронами и фотоном. Если реальные кварки не будут обнаружены, то у нас так никогда и не появится иного способа исследования межкварковых сил.
ТАК МОЖЕТ ВЫГЛЯДЕТЬ В НЕДАЛЕКОМ БУДУЩЕМ,
ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
классы частицы символ название
фотон y фотон лептоны vе нейтрино электронное
vu нейтрино мюонное
е электрон
u мюон
мезоны
W дубль-вэ-мезоны
Z0 зэт-мезон
. .
. .
. ?
субадроны
кварки
p пэ-кварк Х 3 "цвета"
n эн-кварк (желтый, синий, красный)
Л лямбда-кварк
с цэ-кварк
.
.
.
глюоны g1 глюоны Х 3 "цвета"
g2 (желтый, синий, красный)
g3
.
.
g8
.
.
?
Что же может получиться? Не сведется ли все к тому, что кварки так и нельзя будет отделить от наблюдаемых адронов и изучить независимым образом? Но в таком случае адроны должны будут по-прежнему фигурировать в таблице элементарных частиц...
Видимо, реальная ситуация в физике элементарных частиц несколько сложней, чем мы до сих пор ее себе представляли. И необходимо подробней разобраться в свойствах тех взаимодействий, которые обусловили наблюдаемое многообразие микромира...
(C) Александр Потупа (Alexander Potupa) Бег за бесконечностью. Молодая гвардия (Эврика), Москва, 1977 (Run for Infinity; переводы: на венгерский - Utazas az elemi reszecskek vilagaba. Muszaki Konyvkiado,Budapest, 1980; на болгарский - Гонене на безкрайността. Наука и изкуство (Еврика), София, 1980)
ГЛАВА ПЯТАЯ, ГДЕ РАССКАЗАНО ОБ ОЧЕНЬ СЛОЖНЫХ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦАХ - АДРОНАХ
Проект - это черновик будущего. Иной раз будущее требует сотни черновиков
Ж. Ренар
КАК ВЫГЛЯДИТ АДРОН?
Исследуя любую структуру, человек должен прежде всего найти способы воздействия на нее. Только это позволит ему понять роль отдельных элементов структуры и их взаимосвязи. Так поступает едва ли не каждый ребенок, получивший в подарок красивую и сложно устроенную игрушку. Малыш со всей доступной ему скоростью стремится проникнуть в секреты механизма, чаще всего безнадежно портит всю хитроумную внутреннюю механику, но и это полезные шаги к постижению мира. Пожалуй, любому из нас знакома хотя бы раз в жизни нападающая страсть - разобрать часы до последнего винтика.
Конечно, проникновение в каждую структуру требует особого инструмента. Игрушку можно разломать, пользуясь обычным молотком или другой "железкой". Чтобы аккуратно разобрать часы, необходимы гораздо более тонкие приспособления - специальные отвертки и пинцеты. При этом, как правило, мастер вынужден применять увеличительное стекло, с помощью которого четко различает мелкие детали.
Чтобы рассмотреть, скажем, кристаллическую структуру обычного вещества, исследователи применяют рентгеновские лучи, имеющие столь малую длину волны, что они чувствуют уже микроскопические детали строения. Еще сложнее увидеть отдельные молекулы и атомы - теперь уже необходимо применять особо короткие дебройлевские волны, связанные с потоками быстрых электронов или ионов.
А как быть в случае элементарных частиц, которые представляют собой вроде бы простейшие структурные составляющие вещества? Интуитивно ясно, что при изучении структуры каких либо объектов хорошо бы использовать наиболее простые из них. Например, по отношению к атомам такими более простыми объектами могут служить атомные ядра или отдельные элементарные частицы. Для самих же частиц остается единственный способ выяснения их структуры бомбардировка такими же частицами.
Не существует какого-либо инструмента с заранее известными свойствами, которым можно было бы почувствовать детали строения отдельного представителя микромира. Ведь каждый инструмент должен, в свою очередь, состоять из элементарных частиц. Это и определяет специфику исследования мельчайших составляющих вещества. Все опыты в данной области должны быть устроены по образцу тех мысленных экспериментов по рассеянию электронов, которые мы рассматривали во второй главе, в связи с вероятностной трактовкой квантовой механики.
В начальный момент времени имеются только свободные частицы, скажем, в пучке ускорителя и в веществе мишени. Когда частицы ускоряются до нужной энергии, пучок сбрасывается на мишень и за очень малое время происходит взаимодействие между частицами пучка и мишени. После взаимодействия исходные частицы, которые присутствовали вначале, и вновь родившиеся разлетаются и регистрируются специальной аппаратурой в некоторый конечный момент времени, когда их снова можно считать свободными.
Время движения частиц в свободном состоянии должно намного превышать тот промежуток времени, в терние которого они взаимодействуют. Действительно, длительность взаимодействия, как правило, очень мала - это микроскопическая величина, тогда как за время свободного движения частица должна успеть оставить макроскопический след. Поэтому физики часто говорят так: частицы приходят из минус бесконечности (- oo ), взаимодействуют в момент времени, который условно соответствует центру временной оси - нулю, и после взаимодействия уходят на плюс бесконечность (+ oo).
Особенно серьезные проблемы возникают в тех случаях, когда мы имеем дело с очень малыми размерами области взаимодействия, то есть того объема, в котором сталкивающиеся частицы вступают в определенный контакт друг с другом.
Например, сильные взаимодействия играют роль только в том случае, когда частицы находятся на микроскопически малых расстояниях. Протон и нейтрон могут испытывать сильнейшее взаимное притяжение, но стоит им разойтись на расстояние, заметно превышающее 10-13 сантиметра, и они начинают вести себя как свободные частицы
У физиков нет возможности поместить особую аппаратуру в столь малую область пространства. Как вы помните, всякое устройство для перевода информации с "микро" на "макро" должно состоять из огромного числа атомов. Поэтому, изучая сильные взаимодействия, приходится измерять непосредственно лишь характеристики (импульсы, массы, заряды) свободных частиц, находящихся на больших расстояниях друг от друга задолго до взаимодействия и через большой промежуток времени после того, как само взаимодействие прекращается. И только по закономерностям изменения этих характеристик мы можем судить о том, как устроены взаимодействия и как выглядят участвующие в них частицы.
Такое положение дел приводит к несколько непривычной картине, когда о строении объектов вообще ничего нельзя сказать вне исследования взаимодействия между ними. В свою очередь, силы, действующие между частицами, приходится довольно сложным образом реконструировать по тем закономерностям поведения частиц, которые наблюдаются в различных реакциях.
Но это может показаться удивительным лишь на первый взгляд. Ведь и в своем повседневном опыте мы, строго говоря, не можем изучать структуру какого-либо объекта, не оказывая на этот объект определенного воздействия.
Скажем, исследуя незнакомую комнату, мы непременно воспользуемся освещением, на худой конец, постараемся осторожно действовать на ощупь. Возможности осветить помещение, видеть или осязать предметы, находящиеся в нем, считаются как бы само собой разумеющимися. Поэтому мы обычно воспринимаем устройство такой комнаты как нечто раз и навсегда данное, не зависящее от способа воздействия. Между тем дело здесь просто в слабости этого воздействия. Разумеется, поток света из окна или от электролампы не способен что-либо разрушить в комнате, изменить расстановку мебели и т. п. Если же действовать в темноте и на ощупь, то нетрудно навести такой беспорядок, что и не догадаешься о первоначальном расположении предметов...
Вообразим теперь такую полуфантастическую ситуацию, когда перед нами находится какое-то сложное устройство внутри большого ящика, а забраться внутрь этого ящика и покопаться в его схеме нет никакой возможности. Скажем, ящик не поддается действию механических инструментов, которые находятся в нашем распоряжении, или в него нельзя заглядывать просто по условиям игры. Снаружи имеется некоторое число "входов", куда можно подавать сигналы определенные комбинации электрических токов, а также экран, на котором в ответ на любой "входной" сигнал появляется какой-то "выходной" сигнал, например, в виде графика поведения электрического тока.
Предположим теперь, что ни схема устройства, ни даже смысл подаваемых сигналов и ответов нам заранее неизвестны, а стоящая перед нами задача выяснить схему работы ящика и установить природу сигналов.
Эта воображаемая ситуация неплохо отражает характер проблем, стоящих перед исследователями микромира. Роль исходного сигнала играют частицы, выпускаемые из ускорителя на мишень, роль ответного - те частицы, которые получаются в результате реакции. А само хитроумное устройство ящика - это конкретные механизмы взаимодействия между частицами, определяющие правила их поведения во всевозможных реакциях.
Приведенный пример обычно называют "черным ящиком"; название возникло в кибернетике. Для физики оно не совсем подходит, поскольку в физике представление о каком-то "черном" объекте связано с такой характеристикой: он способен все поглощать, но ничего не выпускает, во всяком случае, не отражает. Но дело, конечно, не в словах. Основная ценность такого примера в ясной демонстрации активности экспериментатора. На ящик можно глубокомысленно взирать, но никогда не постичь его устройства, если не воздействовать на его "входы" всеми доступными сигналами и не осмысливать их связи с ответами.
При исследовании частиц, в частности адронов, физики так и поступают: они воздействуют одними частицами на другие и пытаются выяснить строение самих частиц и природу сил, действующих между частицами.
Адроны особенно интересны в этом отношении. Они оказались первыми элементарными частицами, которые, в сущности, неэлементарны и обладают сложной внутренней структурой.
Как вы помните, начальные подозрения в неэлементарности адронов были связаны просто с обилием адронного мира. Весь опыт науки подсказывал, что если наблюдается множество различных объектов одного класса, то они непременно должны быть составлены из гораздо меньшего количества более элементарных объектов. Такова, в сущности, атомистическая традиция, и она пока не подводила физиков.
Попытки свести все наблюдаемое многообразие адронов к каким-то более фундаментальным частицам привели к модели кварков, которая действительно позволяет "сконструировать" любой адрон из нескольких более простых частиц. Несмотря на то, что кварки не были выбиты из адронов, серьезных сомнений в составной природе сильно взаимодействующих представителей микромира у физиков нет.
Но вывод о том, что, скажем, протон составлен из трех кварков, еще не достаточен для полного понимания его структуры. Нужно знать закономерности сил, действующих между кварками, а также представлять себе дополнительные элементы структуры адрона. Нет ли внутри его каких-то иных объектов? Не потребуется ли дополнять чисто кварковую картину какими-либо новыми представлениями?
Важность вопросов такого типа хорошо видна на примере самых первых шагов в микромир. Как вы помните, открытие электрона сыграло решающую роль в постижении структуры атомов. Физики практически сразу осознали, что электроны - непременные составляющие атомов. Однако до тех пор, пока в резерфордовских экспериментах не было проведено прямое зондирование атомной структуры, об устройстве атомов существовали лишь более или менее правдоподобные догадки.
Нечто аналогичное произошло и в адронной физике. Попытки прямого зондирования структуры адронов были предприняты немедленно, как только в руках у исследователей оказались подходящие инструменты.
В 1956 году группа американских физиков под руководством Р. Хофстэдтера приступила к изучению взаимодействия электронов с нуклонами и дейтронами атомными ядрами дейтерия. Пучок электронов с очень большой (по тем временам!) энергией до 0,6 ГэВ выводился на мишени из водорода или дейтерия. Электроны рассеивались протонами или дейтронами, состоящими из протонов и нейтронов, на некоторые углы относительно направления падения пучка, и физики непосредственно изучали распределение рассеянных электронов по этим углам. Форма такого распределения и должна была дать информацию о строении адронов. В чем же заключалась идея опыта? Под какую модель он ставился?
Дело в том, что теория, а именно - квантовая электродинамика, считала, что электрон представляет собой совершенно бесструктурную, точечную частицу. Во всяком случае, при тех энергиях, при которых ставились опыты, никаких нарушений этого положения не должно было проявляться. Далее, согласно той же теории электрон должен был взаимодействовать с любым другим электрическим зарядом вполне определенным образом, обмениваясь фотоном.
В общем, электрон выступал в этом опыте как объект с достаточно хорошо известными свойствами. Поэтому с его помощью можно было четко выяснить и свойства других, возможно, более сложных объектов.
Если бы он взаимодействовал с такой же электрически заряженной бесструктурной частицей, то закономерности рассеяния можно было бы совершенно точно предсказать и на основе квантовой электродинамики. Иными словами, физики заранее знали, как будет выглядеть распределение рассеянных электронов, если адроны начисто лишены структуры, то есть являются точечными частицами. Имея определенный эталон для точечных адронов, физики вполне справедливо считали, что всякое отклонение от этого эталона окажется прямым доказательством существования структуры.
Конечно, теоретики имели и некоторые предварительные соображения о форме и размерах нуклонов и атомных ядер. Эти соображения основывались на многолетнем изучении ядерных сил в физике атомного ядра, на тех свойствах адронов, которые уже были известны из экспериментов по их взаимодействию и сводились к следующему.
Нуклоны взаимодействуют с большой интенсивностью. Взаимодействие между ними обусловлено обменом пи-мезонами. Следовательно, пи-мезоны испускаются и поглощаются нуклонами с большой вероятностью, гораздо большей, чем фотоны. Даже если нуклон "изолирован" от других адронов, он может испускать и тут же поглощать пи-мезоны, как бы взаимодействуя сам с собой. Такие пи-мезоны называются виртуальными, и они могут отойти от нуклона не очень далеко, на расстояние, не превышающее 10-13 сантиметра. Поскольку они испускаются очень часто, то вокруг нуклона образуется как бы пи-мезонное облако, а также и облака из других мезонов. Вокруг какого нуклона? Да того, который получился бы при полном выключении сильных взаимодействий, то есть точечного бесструктурного нуклона. В реальном мире такое выключение сделать нельзя, и поэтому нуклон всегда должен быть окружен мезонными облаками и как бы размазан по небольшому объему пространства.
Конечно, эти соображения носили лишь качественный характер - ведь настоящей теории ядерных сил не существовало! Однако они неплохо оправдались.
Эксперименты группы Р. Хофстэдтера показали, что протон и нейтрон обладают четко выраженной структурой. Нуклон не является точечной частицей, а представляет собой своеобразный сгусток какого-то особого вещества, размазанного по области с размером порядка 10-13 сантиметра. Энергия электронов в этих экспериментах как раз и позволяла заглянуть на такие расстояния и прощупать распределение электрического заряда во внешней оболочке нуклона.
Так сложная структура адронов была обнаружена экспериментально. Конечно же, сложное распределение электрического заряда было установлено для атомных ядер. Впоследствии прямые эксперименты позволили заглянуть и в пи-мезоны. У них тоже обнаружилась четко выраженная структура.