Страница:
* Для расчета собственного времени жизни через ?-ширину удобно использовать постоянную Планка в форме h = 6,5821220(20).10-22 МэВ.с. Таким образом, для ?-мезона получаем ?? ? 4,3.10-24 с, а для J/? -мезона - ?J/? ? 10-20 с.
Все адроны обладают кварковой структурой, и их в какой-то степени можно рассматривать как кварковые атомы или молекулы. Но в отличие от последних силы, связывающие структурные единицы, имеют неэлектромагнитную природу и вообще ведут себя весьма оригинально - нарастают при попытке раздвинуть кварки на большие расстояния. По современным представлениям этот рост межкварковых сил столь эффективен, что "ионизировать" адрон, т. е. расщепить его на отдельные кварки, невозможно. Здесь усматривается принципиальная разница между сложными адронами и такими структурными уровнями вещества, как атомно-молекулярный и даже ядерный. И атомы и ядра сравнительно легко расщепляются на составные части, адрон же представляет собой, по-видимому, первый пример нерасщепляемой структуры.
Вообще-то, в разных типах экспериментов адроны выглядят несколько по-разному. Скажем, в виде набора 2-3 кварков они проявляются при попытке передать им очень большой импульс, по сути - при попытке заглянуть в глубину адрона. Между прочим, даже такой явно составной ядерный объект, как дейтерий (ядро атома тяжелого водорода, в котором протон связан с нейтроном), при жестком просвечивании похож на набор 6 кварков, разумеется, отбросив все случаи развала на протон и нейтрон.
При менее глубоком зондировании (небольших передачах импульса) адрон представляет собой что-то вроде облака плотной материи, размазанного по области пространства радиусом порядка 10-13 см.
Если весьма грубо усреднить известные данные об адронах, эти частицы
можно нарисовать примерно так. В глубине адрона находятся два (мезон) или
три (барион) так называемых валентных кварка, довольно слабо связанных
глюонными силами. Валентные кварки быстро движутся внутри адрона можно
сказать, что их кинетическая энергия заметно превышает потенциальную.
Однако на больших расстояниях (~10-13 см) глюонные силы резко возрастают и
не выпускают кварки наружу (явление конфайнмента (confinement)
пленения кварков). Именно валентные кварки и можно увидеть, просвечивая
адрон быстрыми электронами, передающими адрону большой импульс и (в силу
соотношений неопределенностей) способных глубоко проникнуть в его структуру.
Обнаружение точечных составляющих адрона в опытах такого типа в 1969 году
напоминает о знаменитых результатах Резерфорда, который еще в начале
века по той же схеме нащупал малое в объеме атома положительно заряженное
ядро. Точечные составляющие адронов были названы партонами (от англ,
part - часть), и вскоре выяснилось, что по зарядовым свойствам они хорошо
соответствуют кваркам. Валентные кварки-партоны окружены морем менее
энергичных партонов, которые по мере продвижения к периферии
объединяются в пары и тройки, составляя как бы зародыши новых адронов.
На периферии адрона зародыши формируют виртуальную шубу, по-видимому,
сами немного обрастая собственными "морями". Такие промежуточные
между чистым двух-трех-кварковым зародышем и реальным адроном
состояния называются виртуальными частицами. Виртуальные частицы
чрезвычайно краткоживущие образования и не имеют определенной
массы, но по всем своим зарядовым свойствам они похожи на реальные адроны
(т. е. можно говорить о виртуальном ?-мезоне, К-мезоне, антипротоне и т. п.,
однако именно л-мезоны играют основную роль в виртуальной шубе).
Можно понимать дело так, что виртуальные частицы - это адроны с неполноценной (недоформированной) собственной шубой, или - по-другому - это адроны, чья шуба здорово ободрана в сверхплотной кварк-глюонной среде*. Виртуальный адрон может превратиться во вполне реальный, если исходному адрону сообщить достаточную энергию, чтобы он стряхнул свою шубу. При этом все зародыши или их часть (смотря сколько энергии!) попутно обзаводятся собственными развитыми шубами. По сути, большая интенсивность сильных взаимодействий проявляется в большой вероятности таких превращений в результате столкновений энергичных адронов. Обильное появление новых адронов в соударениях при высоких энергиях (процесс множественного рождения) - одно из интереснейших проявлений микромира.
* Последняя интерпретация связана с экспериментально наблюдаемым явлением - адрон, проходя сквозь большое атомное ядро, лишь первый раз взаимодействует нормально с одним из нуклонов. Второе и последующие взаимодействия резко ослаблены, что можно связывать с разрушением виртуальной шубы налетающего адрона, который просто не успевает ее восстановить (регенерировать до нормального адрона) на малых межнуклонных расстояниях в ядре.
Изображенная здесь картина - это лишь качественные "штрихи к портрету" адронов. Адрон - капризнейший натурщик, искусно скрывающий свой внутренний мир, требующий особых красок и особой живописной техники и вовсе не укладывающийся в привычные рамки атомных и ядерных образов.
2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Современная теория рассматривает три типа фундаментальных сил, на основе которых объясняется строение и эволюция вещества.
Электрослабые взаимодействия. До недавних пор мы знали о двух различных силах природы - электромагнитных и слабых. Первая из них ответственна, например, за строение атомов и излучение фотонов, а вторая за ?-распад (n ( p + e-+?e)и другие процессы такого типа. Интенсивная работа физиков в 60-70-х годах привела к построению единой теории электрослабого взаимодействия. Объединение выглядит особенно естественно, если вспомнить, что еще в середине прошлого века электрические и магнитные явления связывались с различными силами природы, и общая теория электромагнетизма лишь постепенно формировалась в трудах Фарадея и Максвелла. Теперь же оказалось, что слабые силы - своеобразное проявление электромагнетизма на очень малых расстояниях (порядка 10-16 см). Одно из фундаментальных полей - электромагнитное - мы знали давно и даже научились использовать, а три других, соответствующих излучению промежуточных бозонов W+- и Z0, заметили сравнительно недавно в связи с процессами слабых распадов.
Таким образом, современная картина электрослабого взаимодействия основывается на четырех фундаментальных бозонных полях и включает в себя поля лептонов и кварков. Элементарный акт взаимодействия между лептонами и (или) кварками выглядит как обмен одним из бозонов. Такой механизм лежит в основе ныне общепринятой схемы описания актов рассеяния и распадов элементарных частиц - квантовой теории поля. Эта схема, хорошо отработанная в области квантовой электродинамики и ныне успешно включившая в себя описание слабых процессов, считается своеобразной нормой теории фактически той линзой, сквозь которую физики пытаются рассмотреть самые глубокие закономерности микромира.
Сильные взаимодействия. Вступая в область адронов, мы сразу сталкиваемся с проблемами двух уровней - исследованием межкварковых и межадронных сил. Вообще-то соответствующая теория - квантовая хромодинамика (цветодинамика), построенная по образцу электрослабой модели, стремится развить схему, где все процессы хорошо описывались бы взаимодействиями 5 или 6 кварковых и 8 глюонных полей. Межадронные силы должны выводиться из более фундаментальных межкварковых, и все свойства белых адронов следовать из модели цветных кварков и глюонов.
Такой подход многое позволяет сделать, но, к сожалению, далеко не все. Аналогии с предыдущими структурными уровнями - атомномолекулярным и ядерным - довольно быстро выходят из строя при попытках описать адрон в целом, а не только валентные кварки. Суть трудностей весьма грубо можно свести к тому, что при описании адрона (его рождения, гибели, взаимодействия как целого) фактически приходится привлекать картину с очень большим (даже бесконечным) числом кварков и глюонов, причем многочастичные состояния играют принципиальную роль, и не удается ограничиться решением простых двух- или трехчастичных задач.
Эта ситуация очень наглядно проявляется в процессах множественного рождения адронов при высоких энергиях. В актах соударения рождение какого-то количества новых адронов примерно в 4 раза более вероятно, чем упругое рассеяние исходных адронов. Поэтому двухчастичная задача о межадронных взаимодействиях оказывается резко незамкнутой, и, судя по всему, ее не удается свести к рассмотрению парных взаимодействий не только на адронном, но и на кварк-глюонном уровне.
Адрон - неточечная частица, и его рождение нельзя описать как мгновенный акт, происходящий в единственной точке пространства. Скорее речь идет о довольно сложной пространственно-временной эволюции в областях с размером порядка 10-13 см и временных интервалах порядка 10-23 с, когда в начале имеется своеобразный адронный ген (скажем, кварк-антикварковая пара), а в конце - вполне сформировавшийся адрон (скажем, ?-мезон с нормальной виртуальной шубой).
Самое любопытное в множественном рождении - коллективный характер формирования шуб у отдельных частиц. Экспериментально это проявляется в том, что большинство образующихся адронов сильно коррелированны друг с другом, словно их появление взаимообусловлено, и они "помнят" о своем происхождении из единого котла. Можно надеяться, что в структуре рождающихся таким образом адронов запечатан их генезис в области взаимодействия - от кварк-партонного зародыша до полноценной частицы. Но квантовая хромодинамика пока не способна восстановить многие важные детали этой картины (и, между прочим, не объясняет сильных корреляций). Эволюция комка кварк-глюонного вещества и формирование в нем сложных адронных структур - те задачи, которые могут потребовать серьезных преобразований всей квантовополевой схемы фундаментальных взаимодействий.
Гравитация. О гравитационном взаимодействии элементарных частиц мы знаем удивительно мало. По сути, проявления силы тяготения непосредственно между парой частиц, например, протонов, никогда не наблюдались. Беда в том, что из-за фантастической малости гравитационной константы связи (?гр = Gmp2/ hc ( 5,9.10-39 эти силы в любом столкновении частиц легко забиваются другими более интенсивными взаимодействиями. Но такое положение не должно казаться непреодолимым барьером в изучении гравитационных задач микромира. Строго говоря, гравитационный заряд пропорционален не массе покоя частицы, а ее полной энергии, так что при столкновении планковских пучков (Е ~ ЕP ~ 1028 эВ) гравитация должна стать сильным взаимодействием.
На сегодняшний день известно, что такие элементарные частицы, как фотоны и нейтроны, ведут себя в поле крупных космических тел вполне удовлетворительно, то есть отклоняются в соответствии с предсказаниями классической теории тяготения. Астрофизические модели дают хорошие косвенные свидетельства того, что поведение других частиц тоже не противоречит выводам классической теории.
По сути же, современная теория гравитации относится к макроскопическим телам, системам огромного числа элементарных частиц (в типичной звезде порядка N ~ (mP/mp)3 ~ 7,8.1056 нуклонов). С ньютоновских времен и до первых десятилетий 20 века тяготение рассматривалось как одна из фундаментальных сил природы, и ее особая роль по сравнению, скажем, с кулоновской силой сводилась к простому различию: первая действует между всеми массивными телами, а вторая только между электрически заряженными.
Развитие эйнштейновской теории относительности продемонстрировало глубокую эквивалентность между массой и энергией, стало ясно, что гравитация - универсальное явление, в гравитационных взаимодействиях должны участвовать все виды материи, обладающие энергией и импульсом. В 1916 году Альберт Эйнштейн сформулировал изумительно красивую гипотезу о том, что ввиду универсальности гравитации имеет смысл рассматривать движение материи не в особом силовом поле, а в неевклидовом пространстве-времени, геометрические свойства которого целиком определяются состоянием свободно движущейся материи.
В обычном евклидовом пространстве свободная частица всегда движется по прямой с постоянной скоростью или покоится. В случае более сложной геометрии свободному движению (или, как говорят, движению по геодезической) могут соответствовать очень сложные траектории. Тяготеющий центр может искривлять пространство, обеспечивая, например, эллиптическое движение частицы, и при достаточно больших расстояниях (r " 2GM/c2) и малых скоростях (v " c) картина будет соответствовать движению планеты в поле ньютоновского силового центра.
Эйнштейновская теория гравитации (часто называемая общей теорией относительности) получила хорошие экспериментальные подтверждения и составила основу современной космологии и релятивистской астрофизики. Но она соответствует усредненному описанию вещества, и ее экстраполяции на уровень квантовомеханических систем отнюдь не проста. К сожалению, нашему эксперименту пока не доступны объекты, которые могли бы сыграть роль мостика между классической и квантовой гравитацией - нечто вроде атома водорода в электродинамике. Тем более трудно пока обсуждать микроскопическую модель гравитационного взаимодействия - будет ли она соответствовать современному квантовополевому идеалу (обмен гравитонами и т. п.) или потребует чего-то необычного.
На фоне всех этих развитых теорий, имеющих широкий круг экспериментальных подтверждений, существует явление, которое, по-видимому, должно объясняться особым типом сверхслабого взаимодействия. Речь идет о необычном распаде так называемого долгоживущего нейтрального K-мезона на пару ?-мезонов (KL0 ( ?+?- или KL0 ( ?0?0). Это явление обнаруженное в 1964 году, связано с нарушением СР-инвариантности, которая, как казалось ранее, должна выполняться во всех моделях*. Регистрируемый эффект находится на уровне не более одной тысячной от обычных эффектов слабых взаимодействий, откуда и берется название гипотетических новых сил. Пока исследованы они очень ограниченно, экспериментально не обнаружено ни одного случая их проявления в процессах, отличных от KL0-распадов. Однако и этого достаточно, чтобы оценить исключительную важность открытия. Из-за нарушения СР-четности KL0 с несколько большей вероятностью распадается с вылетом позитрона (KL0 ( e+?e? -, чем электрона (KL0 ( e-?e?+), и такая же ситуация имеет место в распадах с вылетом ?+-. Это фиксирует абсолютную разницу между частицами и античастицами - античастицы уже не выступают зеркальными двойниками частиц. Возможно, проблема сверхслабых взаимодействий тесно связана с загадкой зарядовой асимметрии наблюдаемого участка Вселенной, где вещество резко преобладает над антивеществом.
* С - это операция перехода к зарядам противоположного знака, Р операция зеркального отражения, Т - операция обращения хода времени. Согласно так называемой СРТ-теореме, всякая нормальная теория поля должна оставлять неизменными наблюдаемые величины при одновременном применении всех трех операций. Однако долгое время думали, что эти операции сохраняют наблюдаемые неизменными (инвариантными) и по отдельности. Потом выяснилось, что в слабых взаимодействиях Р-четность не сохраняется, но оставалась надежда на соблюдение СР-четности (комбинированной С- и Р-операций). Теперь идеи такого рода принадлежат истории науки.
В физике частиц и их взаимодействий очень важную роль играет вакуум элементарных частиц (или физический вакуум, по-латыни vacuum - пустота). Это особое состояние материи, в котором отсутствуют реальные частицы и энергия минимальна. Однако с точки зрения квантовой теории, в вакууме непрерывно рождаются и очень быстро гибнут виртуальные частицы - в соответствии с соотношениями неопределенностей. В этом смысле физический вакуум обладает сложной структурой и оказывает наблюдаемое влияние на процессы взаимодействия реальных элементарных частиц. Внешние поля (в частности, гравитационное) могут сообщить вакууму достаточную энергию, и в результате начнется процесс рождения реальных частиц, например, электрон-позитронных пар. Такого типа процессы должны играть особенно большую роль на ранних космологических стадиях и в окрестностях черных дыр.
3. НАДЕЖДЫ
Есть круг проблем, к решению которых физика элементарных частиц подошла вплотную, и ожидаемые результаты должны по-новому осветить принципиальные моменты современной картины строения и эволюции Вселенной.
Многие надежды связываются с недавними достижениями в нейтринных исследованиях. Окончательное подтверждение ненулевой массы покоя электронного нейтрино и измерение масс его ?- и ?-аналогов скорее всего приведет к тому, что Вселенная станет для нас преимущественно нейтринным объектом - самые трудноуловимые частицы дадут основной вклад в среднюю плотность материи, а следовательно, и в распределении гравитационных полей в самых больших масштабах. Массивные нейтрино уже сейчас решительно вмешиваются в модели формирования крупных структур - галактик и галактических скоплений*.
*Видимо, массивные нейтрино играют важнейшую роль в весьма экзотической современной модели ячеисто-сетчатого строения Вселенной. Согласно этой модели, первичные возмущения однородного фона приводят к развитию единообразных распределений, которые, сливаясь и пересекаясь, образуют гигантские ячейки с относительно тонкими стенками, в которых и образуются галактики. Во внутренних темных областях ячеек (по-видимому, в неплохом соответствии с наблюдательными данными) плотность вещества значительно ниже средней, а химический состав практически не отличается от первичной водородно-гелиевой смеси, и процесс звездообразования вообще не идет или очень сильно подавлен.
Массивные реликтовые нейтрино с очень малыми скоростями (v ~ 300 м/с) и большой дебройлевской длиной волны (??~ h/m?c ~10-2 см) должны оказывать заметное силовое воздействие на пористые тела с размером пор ~ ??. Этот так называемый нейтринный ветер может оказаться крайне серьезным фактором в картине движения космической пыли и более крупных тел.
Многого можно ожидать и от исследования сверхгорячих нейтрино. При современных энергиях нейтринных пучков сечение их взаимодействия с нуклонами линейно растет с энергией (до 250 ГэВ). В соответствии с теорией электрослабого взаимодействия, этот рост должен заметно замедлиться в районе E? ~ 3000 ГэВ.
На той или иной стадии реализации находятся и другие проекты, работы на ускорителях, которые позволят экспериментально в деталях проверить электрослабую теорию, и поискать новые экзотические частицы, лежащие в рамках ее предсказаний (так называемые хиггсовские бозоны) и не связанные с ней (например, новые резонансы, соответствующие tt-кварковой паре, подобно тому, как cc соответствует J/? -мезону, а bb - ?-мезону).
Разумеется, при всей своей важности поиск новых частиц не составляет единственной цели. Очень большие надежды возлагаются на прояснение картины сильных взаимодействий. Разгоняя протоны, мы фактически разгоняем кварковые пучки (но, конечно, на каждый кварк приходится лишь какая-то доля энергии, скажем, 1/3 или того меньше). Можно полагать, что характер межкварковых взаимодействий с ростом энергии станет понятней. Важная задача - выявить закономерности синтеза адронов из горячего кварк-глюонного вещества, образующегося в области взаимодействия.
Астрофизические и космологические последствия установления этой картины трудно переоценить. Одна только возможность открытия - пусть крайне гипотетичная - каких-то неадронных форм относительно стабильной организации кварк-глюонного вещества способна воодушевить на самые смелые экспериментальные проекты.
Но в программах работ стоят и стратегические задачи дальнего прицела. В настоящее время многие физики верят в вариант так называемого Великого Объединения - теорию, которая описала бы кварки, лептоны и промежуточные бозонные поля единой схемой некоторого электроядерного взаимодействия. Было бы приятно выяснить, что на расстояниях ~ 10-29 см лептоны и кварки ведут себя как одно семейство. Неплохие модели такого объединения уже заготовлены, но масштаб его соответствует фантастически высоким энергиям 1014 - 1015 ГэВ (~10-5 ? 10-4 ЕР!). Именно такого порядка массы предсказывают модели великого объединения для промежуточных Х-бозонов, за счет которых кварки могут трансформироваться в лептоны и наоборот.
Реально процесс кварк-лептонных переходов ведет к предсказанию таких интереснейших явлений, как нестабильность протона. Например, протон может самопроизвольно распадаться на ?0-мезон и позитрон (р ( ?0 + е+). Происходит это потому, что d-кварк и один из u-кварков протона, обмениваясь Х-бозоном с зарядом + 4/3, преобразуются в анти-u-кварк и позитрон. Оставшийся u-кварк и получившийся и объединяются в ?0-мезон, а позитрон свободно покидает область взаимодействия.
Вся совокупность наблюдений указывает на высокую стабильность протона - его среднее время жизни не меньше 1032 лет, иначе окружающий мир выглядел бы совсем по-иному. Поэтому вероятность процессов распада должна быть крайне мала, и, по сути, из-за этого и приходится выбирать столь огромную массу Х-бозона. Строительство ускорителя для прямой генерации таких суперчастиц - дело далекого будущего, но распад протона ищут уже сейчас. Если его среднее время жизни действительно не превышает 1031 или 1032 лет, то в объеме вещества, заключающем, скажем, 1033 протонов (порядка 1000 тонн), должно происходить в среднем 100 или 10 распадов в год, соответственно. Хотелось бы верить, что к моменту выхода этой книги распад протона станет экспериментально установленным фактом, и мы получим сильнейшее указание на то, что при энергиях частиц ~ 1015 ГэВ (на расстояниях ~ 10-29 см) электрослабые и цветные межкварковые взаимодействия сливаются в единую электроядерную силу.
ГИПОТЕТИЧЕСКИЙ РАСПАД ПРОТОНА (р ( ?0 + е+)
Однако стремление к энергии ~1015 ГэВ представляется в основном проблемой, завещаемой 21 веку. Не все так просто и с очень привлекательным, но так и не зарегистрированным распадом протона - похоже, что в теоретических схемах вступают в игру параметры, подозрительно близкие к планковской области*. Тем более велик шанс натолкнуться на необычные - хотя и нельзя сказать, чтоб столь уж неожиданные,- явления, связанные с лептонами и кварками.
* Дело в том, что, обеспечивая достаточно большое время жизни протона ?p>1037 с, необходимо принять МX>1014mp (? ~ ?-2 (h /mpc2)(MX/mp)4), но тогда сечение
взаимодействия внутрипротонных кварков (процесс u + d ( u-+e+) за счет обмена столь тяжелым бозоном оказывается исключительно малым (? ~ ?2 (h /mpc)2 (mp/MX)4 ~ 10-88 см2) - намного меньше характерного планковского сечения (?P ~ lP2 ~ 5.10-66 см2). Возможно, это обстоятельство ("незаконность рейда в планковскую область") и не позволяет рассматривать распад протона по аналогии с распадом нейтрона (где работает гораздо более легкий - W-бозон, и нет никаких слишком малых сечений). Было бы забавно выяснить, что именно планковский барьер стабилизирует протон.
Попытка сохранить внутрипротонные сечения взаимодействия кварков на уровне ? > ?P резко ограничивает массы Х-бозонов в схеме типа великого объединения: MX ( 3.108 mp. Но если такие Х-бозоны по-прежнему давали бы переходы кварк-лептон, протон жил бы в среднем не более миллиона лет, и во Вселенной не было бы даже водорода. Таким образом, слишком далекие экстраполяции таят в себе немало неожиданностей!
Не представляют ли 6 лептонов низшие уровни какого-то богатого лептонного спектра, а кварки - соответственно кваркового? Иными словами, не возникнет ли со временем чего-то в духе "субадронной спектроскопии", где лептоны и кварки (и, возможно, ныне известные бозоны) окажутся сверхплотными связанными состояниями неких субкварков? Эти вопросы весьма важны, тем более что пока нет удовлетворительных идей по поводу происхождения лептонных и кварковых масс. Варианты со следующим структурным уровнем вещества активно изучаются теоретиками.
Все адроны обладают кварковой структурой, и их в какой-то степени можно рассматривать как кварковые атомы или молекулы. Но в отличие от последних силы, связывающие структурные единицы, имеют неэлектромагнитную природу и вообще ведут себя весьма оригинально - нарастают при попытке раздвинуть кварки на большие расстояния. По современным представлениям этот рост межкварковых сил столь эффективен, что "ионизировать" адрон, т. е. расщепить его на отдельные кварки, невозможно. Здесь усматривается принципиальная разница между сложными адронами и такими структурными уровнями вещества, как атомно-молекулярный и даже ядерный. И атомы и ядра сравнительно легко расщепляются на составные части, адрон же представляет собой, по-видимому, первый пример нерасщепляемой структуры.
Вообще-то, в разных типах экспериментов адроны выглядят несколько по-разному. Скажем, в виде набора 2-3 кварков они проявляются при попытке передать им очень большой импульс, по сути - при попытке заглянуть в глубину адрона. Между прочим, даже такой явно составной ядерный объект, как дейтерий (ядро атома тяжелого водорода, в котором протон связан с нейтроном), при жестком просвечивании похож на набор 6 кварков, разумеется, отбросив все случаи развала на протон и нейтрон.
При менее глубоком зондировании (небольших передачах импульса) адрон представляет собой что-то вроде облака плотной материи, размазанного по области пространства радиусом порядка 10-13 см.
Если весьма грубо усреднить известные данные об адронах, эти частицы
можно нарисовать примерно так. В глубине адрона находятся два (мезон) или
три (барион) так называемых валентных кварка, довольно слабо связанных
глюонными силами. Валентные кварки быстро движутся внутри адрона можно
сказать, что их кинетическая энергия заметно превышает потенциальную.
Однако на больших расстояниях (~10-13 см) глюонные силы резко возрастают и
не выпускают кварки наружу (явление конфайнмента (confinement)
пленения кварков). Именно валентные кварки и можно увидеть, просвечивая
адрон быстрыми электронами, передающими адрону большой импульс и (в силу
соотношений неопределенностей) способных глубоко проникнуть в его структуру.
Обнаружение точечных составляющих адрона в опытах такого типа в 1969 году
напоминает о знаменитых результатах Резерфорда, который еще в начале
века по той же схеме нащупал малое в объеме атома положительно заряженное
ядро. Точечные составляющие адронов были названы партонами (от англ,
part - часть), и вскоре выяснилось, что по зарядовым свойствам они хорошо
соответствуют кваркам. Валентные кварки-партоны окружены морем менее
энергичных партонов, которые по мере продвижения к периферии
объединяются в пары и тройки, составляя как бы зародыши новых адронов.
На периферии адрона зародыши формируют виртуальную шубу, по-видимому,
сами немного обрастая собственными "морями". Такие промежуточные
между чистым двух-трех-кварковым зародышем и реальным адроном
состояния называются виртуальными частицами. Виртуальные частицы
чрезвычайно краткоживущие образования и не имеют определенной
массы, но по всем своим зарядовым свойствам они похожи на реальные адроны
(т. е. можно говорить о виртуальном ?-мезоне, К-мезоне, антипротоне и т. п.,
однако именно л-мезоны играют основную роль в виртуальной шубе).
Можно понимать дело так, что виртуальные частицы - это адроны с неполноценной (недоформированной) собственной шубой, или - по-другому - это адроны, чья шуба здорово ободрана в сверхплотной кварк-глюонной среде*. Виртуальный адрон может превратиться во вполне реальный, если исходному адрону сообщить достаточную энергию, чтобы он стряхнул свою шубу. При этом все зародыши или их часть (смотря сколько энергии!) попутно обзаводятся собственными развитыми шубами. По сути, большая интенсивность сильных взаимодействий проявляется в большой вероятности таких превращений в результате столкновений энергичных адронов. Обильное появление новых адронов в соударениях при высоких энергиях (процесс множественного рождения) - одно из интереснейших проявлений микромира.
* Последняя интерпретация связана с экспериментально наблюдаемым явлением - адрон, проходя сквозь большое атомное ядро, лишь первый раз взаимодействует нормально с одним из нуклонов. Второе и последующие взаимодействия резко ослаблены, что можно связывать с разрушением виртуальной шубы налетающего адрона, который просто не успевает ее восстановить (регенерировать до нормального адрона) на малых межнуклонных расстояниях в ядре.
Изображенная здесь картина - это лишь качественные "штрихи к портрету" адронов. Адрон - капризнейший натурщик, искусно скрывающий свой внутренний мир, требующий особых красок и особой живописной техники и вовсе не укладывающийся в привычные рамки атомных и ядерных образов.
2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Современная теория рассматривает три типа фундаментальных сил, на основе которых объясняется строение и эволюция вещества.
Электрослабые взаимодействия. До недавних пор мы знали о двух различных силах природы - электромагнитных и слабых. Первая из них ответственна, например, за строение атомов и излучение фотонов, а вторая за ?-распад (n ( p + e-+?e)и другие процессы такого типа. Интенсивная работа физиков в 60-70-х годах привела к построению единой теории электрослабого взаимодействия. Объединение выглядит особенно естественно, если вспомнить, что еще в середине прошлого века электрические и магнитные явления связывались с различными силами природы, и общая теория электромагнетизма лишь постепенно формировалась в трудах Фарадея и Максвелла. Теперь же оказалось, что слабые силы - своеобразное проявление электромагнетизма на очень малых расстояниях (порядка 10-16 см). Одно из фундаментальных полей - электромагнитное - мы знали давно и даже научились использовать, а три других, соответствующих излучению промежуточных бозонов W+- и Z0, заметили сравнительно недавно в связи с процессами слабых распадов.
Таким образом, современная картина электрослабого взаимодействия основывается на четырех фундаментальных бозонных полях и включает в себя поля лептонов и кварков. Элементарный акт взаимодействия между лептонами и (или) кварками выглядит как обмен одним из бозонов. Такой механизм лежит в основе ныне общепринятой схемы описания актов рассеяния и распадов элементарных частиц - квантовой теории поля. Эта схема, хорошо отработанная в области квантовой электродинамики и ныне успешно включившая в себя описание слабых процессов, считается своеобразной нормой теории фактически той линзой, сквозь которую физики пытаются рассмотреть самые глубокие закономерности микромира.
Сильные взаимодействия. Вступая в область адронов, мы сразу сталкиваемся с проблемами двух уровней - исследованием межкварковых и межадронных сил. Вообще-то соответствующая теория - квантовая хромодинамика (цветодинамика), построенная по образцу электрослабой модели, стремится развить схему, где все процессы хорошо описывались бы взаимодействиями 5 или 6 кварковых и 8 глюонных полей. Межадронные силы должны выводиться из более фундаментальных межкварковых, и все свойства белых адронов следовать из модели цветных кварков и глюонов.
Такой подход многое позволяет сделать, но, к сожалению, далеко не все. Аналогии с предыдущими структурными уровнями - атомномолекулярным и ядерным - довольно быстро выходят из строя при попытках описать адрон в целом, а не только валентные кварки. Суть трудностей весьма грубо можно свести к тому, что при описании адрона (его рождения, гибели, взаимодействия как целого) фактически приходится привлекать картину с очень большим (даже бесконечным) числом кварков и глюонов, причем многочастичные состояния играют принципиальную роль, и не удается ограничиться решением простых двух- или трехчастичных задач.
Эта ситуация очень наглядно проявляется в процессах множественного рождения адронов при высоких энергиях. В актах соударения рождение какого-то количества новых адронов примерно в 4 раза более вероятно, чем упругое рассеяние исходных адронов. Поэтому двухчастичная задача о межадронных взаимодействиях оказывается резко незамкнутой, и, судя по всему, ее не удается свести к рассмотрению парных взаимодействий не только на адронном, но и на кварк-глюонном уровне.
Адрон - неточечная частица, и его рождение нельзя описать как мгновенный акт, происходящий в единственной точке пространства. Скорее речь идет о довольно сложной пространственно-временной эволюции в областях с размером порядка 10-13 см и временных интервалах порядка 10-23 с, когда в начале имеется своеобразный адронный ген (скажем, кварк-антикварковая пара), а в конце - вполне сформировавшийся адрон (скажем, ?-мезон с нормальной виртуальной шубой).
Самое любопытное в множественном рождении - коллективный характер формирования шуб у отдельных частиц. Экспериментально это проявляется в том, что большинство образующихся адронов сильно коррелированны друг с другом, словно их появление взаимообусловлено, и они "помнят" о своем происхождении из единого котла. Можно надеяться, что в структуре рождающихся таким образом адронов запечатан их генезис в области взаимодействия - от кварк-партонного зародыша до полноценной частицы. Но квантовая хромодинамика пока не способна восстановить многие важные детали этой картины (и, между прочим, не объясняет сильных корреляций). Эволюция комка кварк-глюонного вещества и формирование в нем сложных адронных структур - те задачи, которые могут потребовать серьезных преобразований всей квантовополевой схемы фундаментальных взаимодействий.
Гравитация. О гравитационном взаимодействии элементарных частиц мы знаем удивительно мало. По сути, проявления силы тяготения непосредственно между парой частиц, например, протонов, никогда не наблюдались. Беда в том, что из-за фантастической малости гравитационной константы связи (?гр = Gmp2/ hc ( 5,9.10-39 эти силы в любом столкновении частиц легко забиваются другими более интенсивными взаимодействиями. Но такое положение не должно казаться непреодолимым барьером в изучении гравитационных задач микромира. Строго говоря, гравитационный заряд пропорционален не массе покоя частицы, а ее полной энергии, так что при столкновении планковских пучков (Е ~ ЕP ~ 1028 эВ) гравитация должна стать сильным взаимодействием.
На сегодняшний день известно, что такие элементарные частицы, как фотоны и нейтроны, ведут себя в поле крупных космических тел вполне удовлетворительно, то есть отклоняются в соответствии с предсказаниями классической теории тяготения. Астрофизические модели дают хорошие косвенные свидетельства того, что поведение других частиц тоже не противоречит выводам классической теории.
По сути же, современная теория гравитации относится к макроскопическим телам, системам огромного числа элементарных частиц (в типичной звезде порядка N ~ (mP/mp)3 ~ 7,8.1056 нуклонов). С ньютоновских времен и до первых десятилетий 20 века тяготение рассматривалось как одна из фундаментальных сил природы, и ее особая роль по сравнению, скажем, с кулоновской силой сводилась к простому различию: первая действует между всеми массивными телами, а вторая только между электрически заряженными.
Развитие эйнштейновской теории относительности продемонстрировало глубокую эквивалентность между массой и энергией, стало ясно, что гравитация - универсальное явление, в гравитационных взаимодействиях должны участвовать все виды материи, обладающие энергией и импульсом. В 1916 году Альберт Эйнштейн сформулировал изумительно красивую гипотезу о том, что ввиду универсальности гравитации имеет смысл рассматривать движение материи не в особом силовом поле, а в неевклидовом пространстве-времени, геометрические свойства которого целиком определяются состоянием свободно движущейся материи.
В обычном евклидовом пространстве свободная частица всегда движется по прямой с постоянной скоростью или покоится. В случае более сложной геометрии свободному движению (или, как говорят, движению по геодезической) могут соответствовать очень сложные траектории. Тяготеющий центр может искривлять пространство, обеспечивая, например, эллиптическое движение частицы, и при достаточно больших расстояниях (r " 2GM/c2) и малых скоростях (v " c) картина будет соответствовать движению планеты в поле ньютоновского силового центра.
Эйнштейновская теория гравитации (часто называемая общей теорией относительности) получила хорошие экспериментальные подтверждения и составила основу современной космологии и релятивистской астрофизики. Но она соответствует усредненному описанию вещества, и ее экстраполяции на уровень квантовомеханических систем отнюдь не проста. К сожалению, нашему эксперименту пока не доступны объекты, которые могли бы сыграть роль мостика между классической и квантовой гравитацией - нечто вроде атома водорода в электродинамике. Тем более трудно пока обсуждать микроскопическую модель гравитационного взаимодействия - будет ли она соответствовать современному квантовополевому идеалу (обмен гравитонами и т. п.) или потребует чего-то необычного.
На фоне всех этих развитых теорий, имеющих широкий круг экспериментальных подтверждений, существует явление, которое, по-видимому, должно объясняться особым типом сверхслабого взаимодействия. Речь идет о необычном распаде так называемого долгоживущего нейтрального K-мезона на пару ?-мезонов (KL0 ( ?+?- или KL0 ( ?0?0). Это явление обнаруженное в 1964 году, связано с нарушением СР-инвариантности, которая, как казалось ранее, должна выполняться во всех моделях*. Регистрируемый эффект находится на уровне не более одной тысячной от обычных эффектов слабых взаимодействий, откуда и берется название гипотетических новых сил. Пока исследованы они очень ограниченно, экспериментально не обнаружено ни одного случая их проявления в процессах, отличных от KL0-распадов. Однако и этого достаточно, чтобы оценить исключительную важность открытия. Из-за нарушения СР-четности KL0 с несколько большей вероятностью распадается с вылетом позитрона (KL0 ( e+?e? -, чем электрона (KL0 ( e-?e?+), и такая же ситуация имеет место в распадах с вылетом ?+-. Это фиксирует абсолютную разницу между частицами и античастицами - античастицы уже не выступают зеркальными двойниками частиц. Возможно, проблема сверхслабых взаимодействий тесно связана с загадкой зарядовой асимметрии наблюдаемого участка Вселенной, где вещество резко преобладает над антивеществом.
* С - это операция перехода к зарядам противоположного знака, Р операция зеркального отражения, Т - операция обращения хода времени. Согласно так называемой СРТ-теореме, всякая нормальная теория поля должна оставлять неизменными наблюдаемые величины при одновременном применении всех трех операций. Однако долгое время думали, что эти операции сохраняют наблюдаемые неизменными (инвариантными) и по отдельности. Потом выяснилось, что в слабых взаимодействиях Р-четность не сохраняется, но оставалась надежда на соблюдение СР-четности (комбинированной С- и Р-операций). Теперь идеи такого рода принадлежат истории науки.
В физике частиц и их взаимодействий очень важную роль играет вакуум элементарных частиц (или физический вакуум, по-латыни vacuum - пустота). Это особое состояние материи, в котором отсутствуют реальные частицы и энергия минимальна. Однако с точки зрения квантовой теории, в вакууме непрерывно рождаются и очень быстро гибнут виртуальные частицы - в соответствии с соотношениями неопределенностей. В этом смысле физический вакуум обладает сложной структурой и оказывает наблюдаемое влияние на процессы взаимодействия реальных элементарных частиц. Внешние поля (в частности, гравитационное) могут сообщить вакууму достаточную энергию, и в результате начнется процесс рождения реальных частиц, например, электрон-позитронных пар. Такого типа процессы должны играть особенно большую роль на ранних космологических стадиях и в окрестностях черных дыр.
3. НАДЕЖДЫ
Есть круг проблем, к решению которых физика элементарных частиц подошла вплотную, и ожидаемые результаты должны по-новому осветить принципиальные моменты современной картины строения и эволюции Вселенной.
Многие надежды связываются с недавними достижениями в нейтринных исследованиях. Окончательное подтверждение ненулевой массы покоя электронного нейтрино и измерение масс его ?- и ?-аналогов скорее всего приведет к тому, что Вселенная станет для нас преимущественно нейтринным объектом - самые трудноуловимые частицы дадут основной вклад в среднюю плотность материи, а следовательно, и в распределении гравитационных полей в самых больших масштабах. Массивные нейтрино уже сейчас решительно вмешиваются в модели формирования крупных структур - галактик и галактических скоплений*.
*Видимо, массивные нейтрино играют важнейшую роль в весьма экзотической современной модели ячеисто-сетчатого строения Вселенной. Согласно этой модели, первичные возмущения однородного фона приводят к развитию единообразных распределений, которые, сливаясь и пересекаясь, образуют гигантские ячейки с относительно тонкими стенками, в которых и образуются галактики. Во внутренних темных областях ячеек (по-видимому, в неплохом соответствии с наблюдательными данными) плотность вещества значительно ниже средней, а химический состав практически не отличается от первичной водородно-гелиевой смеси, и процесс звездообразования вообще не идет или очень сильно подавлен.
Массивные реликтовые нейтрино с очень малыми скоростями (v ~ 300 м/с) и большой дебройлевской длиной волны (??~ h/m?c ~10-2 см) должны оказывать заметное силовое воздействие на пористые тела с размером пор ~ ??. Этот так называемый нейтринный ветер может оказаться крайне серьезным фактором в картине движения космической пыли и более крупных тел.
Многого можно ожидать и от исследования сверхгорячих нейтрино. При современных энергиях нейтринных пучков сечение их взаимодействия с нуклонами линейно растет с энергией (до 250 ГэВ). В соответствии с теорией электрослабого взаимодействия, этот рост должен заметно замедлиться в районе E? ~ 3000 ГэВ.
На той или иной стадии реализации находятся и другие проекты, работы на ускорителях, которые позволят экспериментально в деталях проверить электрослабую теорию, и поискать новые экзотические частицы, лежащие в рамках ее предсказаний (так называемые хиггсовские бозоны) и не связанные с ней (например, новые резонансы, соответствующие tt-кварковой паре, подобно тому, как cc соответствует J/? -мезону, а bb - ?-мезону).
Разумеется, при всей своей важности поиск новых частиц не составляет единственной цели. Очень большие надежды возлагаются на прояснение картины сильных взаимодействий. Разгоняя протоны, мы фактически разгоняем кварковые пучки (но, конечно, на каждый кварк приходится лишь какая-то доля энергии, скажем, 1/3 или того меньше). Можно полагать, что характер межкварковых взаимодействий с ростом энергии станет понятней. Важная задача - выявить закономерности синтеза адронов из горячего кварк-глюонного вещества, образующегося в области взаимодействия.
Астрофизические и космологические последствия установления этой картины трудно переоценить. Одна только возможность открытия - пусть крайне гипотетичная - каких-то неадронных форм относительно стабильной организации кварк-глюонного вещества способна воодушевить на самые смелые экспериментальные проекты.
Но в программах работ стоят и стратегические задачи дальнего прицела. В настоящее время многие физики верят в вариант так называемого Великого Объединения - теорию, которая описала бы кварки, лептоны и промежуточные бозонные поля единой схемой некоторого электроядерного взаимодействия. Было бы приятно выяснить, что на расстояниях ~ 10-29 см лептоны и кварки ведут себя как одно семейство. Неплохие модели такого объединения уже заготовлены, но масштаб его соответствует фантастически высоким энергиям 1014 - 1015 ГэВ (~10-5 ? 10-4 ЕР!). Именно такого порядка массы предсказывают модели великого объединения для промежуточных Х-бозонов, за счет которых кварки могут трансформироваться в лептоны и наоборот.
Реально процесс кварк-лептонных переходов ведет к предсказанию таких интереснейших явлений, как нестабильность протона. Например, протон может самопроизвольно распадаться на ?0-мезон и позитрон (р ( ?0 + е+). Происходит это потому, что d-кварк и один из u-кварков протона, обмениваясь Х-бозоном с зарядом + 4/3, преобразуются в анти-u-кварк и позитрон. Оставшийся u-кварк и получившийся и объединяются в ?0-мезон, а позитрон свободно покидает область взаимодействия.
Вся совокупность наблюдений указывает на высокую стабильность протона - его среднее время жизни не меньше 1032 лет, иначе окружающий мир выглядел бы совсем по-иному. Поэтому вероятность процессов распада должна быть крайне мала, и, по сути, из-за этого и приходится выбирать столь огромную массу Х-бозона. Строительство ускорителя для прямой генерации таких суперчастиц - дело далекого будущего, но распад протона ищут уже сейчас. Если его среднее время жизни действительно не превышает 1031 или 1032 лет, то в объеме вещества, заключающем, скажем, 1033 протонов (порядка 1000 тонн), должно происходить в среднем 100 или 10 распадов в год, соответственно. Хотелось бы верить, что к моменту выхода этой книги распад протона станет экспериментально установленным фактом, и мы получим сильнейшее указание на то, что при энергиях частиц ~ 1015 ГэВ (на расстояниях ~ 10-29 см) электрослабые и цветные межкварковые взаимодействия сливаются в единую электроядерную силу.
ГИПОТЕТИЧЕСКИЙ РАСПАД ПРОТОНА (р ( ?0 + е+)
Однако стремление к энергии ~1015 ГэВ представляется в основном проблемой, завещаемой 21 веку. Не все так просто и с очень привлекательным, но так и не зарегистрированным распадом протона - похоже, что в теоретических схемах вступают в игру параметры, подозрительно близкие к планковской области*. Тем более велик шанс натолкнуться на необычные - хотя и нельзя сказать, чтоб столь уж неожиданные,- явления, связанные с лептонами и кварками.
* Дело в том, что, обеспечивая достаточно большое время жизни протона ?p>1037 с, необходимо принять МX>1014mp (? ~ ?-2 (h /mpc2)(MX/mp)4), но тогда сечение
взаимодействия внутрипротонных кварков (процесс u + d ( u-+e+) за счет обмена столь тяжелым бозоном оказывается исключительно малым (? ~ ?2 (h /mpc)2 (mp/MX)4 ~ 10-88 см2) - намного меньше характерного планковского сечения (?P ~ lP2 ~ 5.10-66 см2). Возможно, это обстоятельство ("незаконность рейда в планковскую область") и не позволяет рассматривать распад протона по аналогии с распадом нейтрона (где работает гораздо более легкий - W-бозон, и нет никаких слишком малых сечений). Было бы забавно выяснить, что именно планковский барьер стабилизирует протон.
Попытка сохранить внутрипротонные сечения взаимодействия кварков на уровне ? > ?P резко ограничивает массы Х-бозонов в схеме типа великого объединения: MX ( 3.108 mp. Но если такие Х-бозоны по-прежнему давали бы переходы кварк-лептон, протон жил бы в среднем не более миллиона лет, и во Вселенной не было бы даже водорода. Таким образом, слишком далекие экстраполяции таят в себе немало неожиданностей!
Не представляют ли 6 лептонов низшие уровни какого-то богатого лептонного спектра, а кварки - соответственно кваркового? Иными словами, не возникнет ли со временем чего-то в духе "субадронной спектроскопии", где лептоны и кварки (и, возможно, ныне известные бозоны) окажутся сверхплотными связанными состояниями неких субкварков? Эти вопросы весьма важны, тем более что пока нет удовлетворительных идей по поводу происхождения лептонных и кварковых масс. Варианты со следующим структурным уровнем вещества активно изучаются теоретиками.