Скачать (109 Кб)

Третий шаг в глубь материи
От элементарных частиц к кваркам и глюонам

Кандидат физико-математических наук Г. Г. Тахтамышев
Химия и Жизнь №5, 1983 г., с. 21-27

ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ И...

Мир элементарных частиц велик и многообразен. Но хотя известных в нынешнее время частиц намного больше, чем элементов в Периодической таблице Менделеева, никаких похожих закономерностей в их семействе пока не видно. Если в Менделеевской таблице царят логика и гармония и можно предсказать свойства хозяина любой клетки, зная свойства его ближайших соседей, то мир элементарных частиц сегодня напоминает, пожалуй, зоопарк, где рядом со слоном и бегемотом можно с равным успехом увидеть и змею, и кузнечика.

И если мы призовем на помощь воображение, то для общего знакомства с этим "зоопарком" можно проделать нечто вроде прогулки по нему. У входа нас здесь сразу встретит указатель со стрелками: "Лептоны", "Мезоны" и. "Барионы". Это обозначены три класса, на которые делятся все частицы. Названия образованы от греческих слов - "лептос" (легкий), "мезос" (средний) и "барюс" (тяжелый).

В разделе лептонов всего шесть "клеток", в которых размещены электрон, мюон, тау-лептон и три соответствующих им типа нейтрино. На пояснительных табличках экскурсанты прочтут, что лептоны имеют особый лептонный заряд и отличаются от всех остальных частиц двумя основными признаками. Во-первых, они нечувствительны к одному из фундаментальных взаимодействий, которое называется сильным. Во-вторых, они не обладают внутренней кварковой структурой, или, говоря проще, они не сделаны из кварков.

В секторе барионов мы сразу узнаем двух наиболее известных представителей этого класса - протон и нейтрон, из которых построены ядра всех атомов. Поблизости помещаются гипероны, они несут в своих названиях пометку в виде греческих букв D, S, X, W. Общее число частиц этого сектора приближается к сотне, однако около многих клеток надписи гласят: "Внимание! Возможно, в природе этот экземпляр и не существует".

Все барионы несут специальный барионный заряд, или барионное число. Это число во всех наблюдавшихся до сих пор реакциях остается неизменным. Иными словами, если в какой-то реакции образовался антипротон, то вместе с ним обязательно рождается барион, например 2-гиперон.

Сектор мезонов радует разнообразием. Есть мезоны странные, есть очарованные, есть и обыкновенные. Но у мезонов нет ни лептонного, ни барионного заряда, ни даже своего собственного - мезонного. То есть в реакции может появиться или исчезнуть любое их число, если это не противоречит закону сохранения энергии-импульса.

И мезоны, и барионы принимают участие в сильном взаимодействии. По этому признаку их объединяют в общую семью адронов.

Попадется на нашем пути еще один сектор, называемый "Промежуточными частицами". Здесь обосновались частицы, роль которых четко определена: каждая из них есть переносчик какого-то определенного взаимодействия - слабого, электромагнитного или гравитационного. Под номером один здесь значится хорошо известный нам фотон, который, кстати, может носить и другие имена: гамма-квант, рентгеновские лучи, радиоволны. Фотон служит переносчиком электромагнитного взаимодействия. Далее следуют гравитон (переносчик гравитационного взаимодействия), "промежуточный бозон" (переносчик электрослабого взаимодействия).

До недавних пор пояснительные таблички после подробного описания свойств гравитона и бозона заканчивались словами: "Пока не обнаружен но существует несомненно". Но в январе этого года из Женевы пришло сообщение, которое позволяет думать, что одна из этих частиц - промежуточный бозон - наконец-то обнаружена.¹

...ОНИ ЖЕ ЭФЕМЕРНЫЕ!

К сожалению, наша прогулка невыгодно отличается от всех других экскурсий. И причина даже не в том, что зоопарк частиц - всего лишь игра нашего воображения. Допустим, что столь странное заведение и впрямь существует и можно отправиться туда, чтобы поглядеть на все эти лептоны и адроны. Увы, вас ждет разочарование. Даже если вы явитесь точно к открытию - почти все клетки все равно будут пустыми, когда вы к ним подойдете.

Дело в том, что почти все элементарные частицы обладают способностью распадаться, причем за весьма короткое время. Если частица живет около 10^-10 секунды, то это считается уже вполне солидным сроком и такую частицу называют стабильной. Подобных частиц сравнительно немного. Большинство же существует не более чем 10^-23 с. Поэтому наиболее близкими аналогами элементарных частиц в нашем привычном мире можно считать бабочек-эфемерид, которые живут ничтожно мало по сравнению, например, с человеком.

Эта эфемерность, или, выражаясь более строго, нестабильность, элементарных частиц до сих пор остается самой загадочной стороной в их поведении. Мы не можем заранее предсказать ни момент распада частицы, ни на что она распадется. Согласно современным представлениям, обе эти характеристики - время жизни и результат распада - подчиняются лишь статистическим законам. Конечно, распады частиц нашли адекватное отражение в теории. Однако становится ли непонятное явление более понятным, если его можно уложить в математическую схему?

Представьте, что вы, придя утром в гараж, обнаружили там не "Жигули", которые вчера оставили, а мотоцикл с коляской, трехколесный велосипед и пачку ассигнаций на верстаке (напомним, что при распаде частицы ее масса не исчезает, а переходит в энергию). Надо полагать, вы не мешкая направитесь в милицию. И если там в качестве утешения скажут, что стоимость оставленных вам вещей соответствует стоимости изъятой машины и что всякое в жизни возможно, то вряд ли такое объяснение вас удовлетворит. Не станет намного легче и в том случае, если вам напишут уравнение Шредингера и скажут, что можно построить некий гамильтониан, при котором такие переходы в принципе возможны.

НЕКОТОРЫЕ ИСКЛЮЧЕНИЯ

Итак, как уже говорилось, способность распадаться присуща почти всем элементарным частицам. Можно даже сказать, что для того, чтобы частица не распадалась, ей нужно иметь очень веские причины. Например, нейтрино и фотон стабильны потому, что им ввиду малости их массы просто не на что распасться. Электрон стабилен потому, что все более легкие частицы не имеют заряда, следовательно, его распад привел бы к нарушению одного из основных законов электродинамики - закона сохранения заряда. Кроме названных, есть лишь одна частица, распад которой до сих пор не наблюдали. Это протон.

Может ли протон распадаться? Если бы задать этот вопрос пятнадцать-двадцать лет назад, то 99 физиков из 100 уверенно ответили бы: нет, не может. Ежели бы спрашивающий набрался смелости спросить: а почему собственно? - то получил бы вполне уверенный ответ. Потому, сказали бы ему, что существует закон сохранения барионного числа, а протон - это легчайший из барионов, следовательно, ему, как и электрону, не на что распадаться.

Интересно проанализировать, что же сейчас представляется неправильным в этом ответе. Ошибка в том, что перепутаны местами следствие и причина. Сохранение числа барионов - это эмпирическое правило, которое выполнялось во всех наблюдавшихся до сих пор реакциях. Однако почему это правило выполняется, никто не знает.

Читатель, внимательно следящий за моими рассуждениями, в этом месте вправе заметить: "Позвольте, а почему же стабилен электрон? Ведь сохранение электрического заряда - тоже не более чем эмпирическое правило!" Совершенно верно. Но разница все-таки есть. Если завтра или через год будет показано, что электрический заряд может не сохраняться, это вызовет крушение одной из самых красивых и проверенных на практике теорий - теории электромагнетизма. Несохранение же барионного числа не вызовет катаклизмов в теории. Более того, многие современные теоретические модели предсказывают процессы с несохранением барионов, в частности распад протона. Но это тема для отдельного рассказа.

Теперь обратимся к тому, что находится внутри элементарных частиц, поскольку, как мы сейчас знаем, они отнюдь не элементарны, а состоят из кварков.

ОБЫКНОВЕННЫЕ КВАРКИ, ИЛИ ОЧЕРЕДНАЯ МАТРЕШКА

Психологически открытие кварков не было очень уж большой неожиданностью. Продвижение в глубь материи - от молекул к атомам, затем к атомному ядру, затем к протонам и нейтронам - сделало привычной мысль о том, что внутри каждой очередной матрешки микромира находится следующая, меньшего размера.

Кварки появились в 1964 году как чисто математические объекты, которые помогали систематизировать известные элементарные частицы и даже предсказывать новые. Например, кварковая модель предсказала существование омега-гиперона, который и был обнаружен. Это открытие сильно укрепило доверие к кварковой модели. Затем началась охота за самими кварками. В 1969 году в Стэнфорде (США) был поставлен эксперимент, удивительно напоминавший классический эксперимент Резерфорда, выполненный еще в начале века. Резерфорд, изучая закономерность рассеяния альфа-частиц, проходящих через вещество, установил, что внутри атома находится ядро, содержащее почти всю атомную массу. Аналогичный эксперимент стэнфордской группы, изучавшей рассеяние высокоэнергичных электронов на протоне, привел их к выводу, что внутри протона содержатся объекты намного меньшего размера. Так впервые была показана реальность существования кварков. В последующих более тонких экспериментах удалось поближе познакомиться с этой новой матрешкой микромира. Некоторые ее свойства оказались очень и очень необычными.

НЕОБЫЧНЫЕ СВОЙСТВА ОБЫЧНЫХ КВАРКОВ

Сейчас нам известны кварки пяти видов. Их обозначают буквами u, d, s, с, b (от английских up - верх, down - низ, strange - странность, charm - очарование, beauty - красота). Есть основания полагать, что существует шестой кварк t (от truth - истина). Отличаются кварки друг от друга тем же, чем и обычные частицы, - зарядом и массой.

Первая необычность кварков как раз связана с их электрическим зарядом. У всех наблюдавшихся частиц заряды кратны заряду протона (хотя мы и не знаем, почему это так). У кварков же заряды оказались дробными: заряд и-, с- и t-кварков равен + 2/3, а заряд d-, s- и b-кварков равен -1/3 протонного заряда.

Вторая необычность состоит в том, что кварки не наблюдаются в свободном виде. Сейчас хорошо известно, что каждый барион состоит из трех кварков, а мезон - из двух (точнее, из кварка и антикварка). Однако все попытки экспериментаторов разбить хотя бы одну частицу на составляющие ее кварки до сих пор остаются безуспешными. Такое сильно развитое чувство коллективизма у кварков доставило немало хлопот теоретикам. Действительно, создать теорию, в которой элементарная частица построена из кварков, но при этом исключается сама возможность отделить один кварк от остальных, совсем непросто. Эти трудности теоретиков получили даже свое название - проблемы конфайнмента (confinement означает по-английски заключение в тюрьму, заточение). И сказать,что физикам удалось разумно объяснить причину вечного заточения кварков внутри элементарных частиц, было бы большим преувеличением.

ЧТОБЫ СУЩЕСТВОВАТЬ, НАДО БЫТЬ БЕСЦВЕТНЫМ

Кроме электрического заряда, каждый кварк имеет еще один заряд - его назвали цветовым. Существует три разновидности таких зарядов: красный, синий и зеленый. Соответственно цветовые заряды антикварков называют антикрасным, антисиним и антизеленым. (Обращаю внимание читателя на то, что эти названия - очередная прихоть физиков. Речь, естественно, не идет об истинном цвете кварков.) Между цветовыми зарядами действуют цветные силы, которые удерживают кварки вместе. В сумме красный, синий и зеленый дают нулевой цветовой заряд или, проще говоря, образуют бесцветную систему. Именно такой системой и представляется любой барион, состоящий из трех кварков трех разных цветов. Мезон - тоже бесцветная система, поскольку состоит из кварка с каким-нибудь цветом и антикварка с соответствующим антицветом.

Вы помните, что в нашем воображаемом зоопарке был отдельный сектор, где помещались промежуточные частицы - переносчики взаимодействий. Заведовать сильным взаимодействием между кварками поручено глюонам (glue по-английски означает клей). Эти частицы как бы склеивают между собой кварки. Однако сейчас глюоны уже вышли за рамки порученной им роли; недавно были обнаружены элементарные частицы, состоящие только из глюонов. Хотя, стоит ли очень уж этому удивляться - катаемся же мы на лыжах, сделанных из эпоксидного клея. Однако вернемся к нормальной элементарной частице, где цветные силы связывают кварки.

На первый взгляд здесь нет никакого отличия от, скажем, атома водорода, где электрические силы связывают положительный протон и отрицательный электрон в электрически нейтральную систему. Однако принципиальное отличие цветных сил от электрических существует, и заключается оно в следующем. Сила электрического притяжения (как и отталкивания) убывает по мере удаления зарядов друг от друга. Цветные силы действуют не так.

Посмотрите на рисунок вверху - он демонстрирует устройство элементарной частицы на примере взаимодействия гамма-кванта с протоном. Гамма-квант ударяет по одному из кварков, который, получив импульс, начинает удаляться от двух своих собратьев. Но цветные силы препятствуют этому, причем сила воздействия на убегающий кварк не уменьшается с расстоянием. Такой вид взаимодействия встречается в физике впервые. Похоже, что кварки как бы соединены эластичными пружинками, которые почти не мешают кваркам, когда они находятся близко друг к другу.

Однако самое необычное происходит, если сила удара по кварку столь велика, что не может быть погашена сопротивлением пружинки. Пружинка не в состоянии удержать кварк и рвется... Но тут же в местах разрыва появляются кварк и антикварк, причем антикварк улетает вместе с беглецом, образуя вместе с ним бесцветный мезон, а новый кварк дополняет компанию двух оставшихся до необходимой тройки.

Описанное очень похоже на попытки разделить полюса магнита, разрезав его пополам. Затратив некоторую порцию усилий, можно разрезать или даже разорвать магнит, но при этом оказывается, что места разрывов сами становятся полюсами, а одиночный полюс так и не возникает.

Есть еще более экзотическая кварковая модель частицы. В ней бесцветная комбинация кварков рассматривается как пузырек, находящийся в жидкости, причем роль жидкости играет вакуум. То, что вакуум - отнюдь не пустое место, известно довольно давно. Однако в этой модели он играет роль плотной среды, которая мешает растаскивать кварки, соединенные в один бесцветный пузырек. Если же силы растаскивания побеждают, то пузырек разрывается, образуя два или более таких же бесцветных пузырьков.

Таковы, в упрощенном изложении, некоторые ухищрения, на которые пускаются теоретики в попытках объяснить, почему экспериментаторы не видят кварков в свободном состоянии.

НУЖНО ЛИ АРЕСТОВЫВАТЬ КВАРКИ?

Правда, говорить, что никто не наблюдает кварки, сейчас уже не совсем верно. Весной 1981 г. были опубликованы результаты эксперимента, поставленного в Стэнфорде (США). Авторы эксперимента уверенно заявили, что видят изолированные кварки. По своему замыслу их работа повторяет классический опыт Милликена по определению заряда электрона - правда, выполненный на совсем уже другом техническом уровне.

В стэнфордском эксперименте был использован известный эффект выталкивания сверхпроводника из магнитного поля; благодаря этому эффекту предмет из сверхпроводника можно как бы подвесить в магнитном поле. В данном опыте такими подвешенными предметами были ниобиевые шарики весом около 1 ДО 000 грамма, которые поместили в вакуум при сверхнизкой температуре (около 4°К). На шарики действовали переменным электрическим полем и с помощью сверхчувствительного детектора наблюдали за их колебаниями. Поскольку сила, действующая на каждый шарик, пропорциональна его заряду, можно узнать, какой это заряд. Конечно, на шарике мог быть некоторый избыток или недостаток электронов, поэтому конечный результат определяется с точностью до целого заряда. И этот результат оказался поразительным. Из 39 измерений в пяти случаях наблюдался заряд, равный -1/3 электронного, в двадцати пяти случаях - нулевой и в девяти - заряд +1/3. (Напомним еще раз, что поскольку заряд определяется с точностью до целого, то величина - 1/3 это то же самое, что и заряд +2/3, а величина + 1/3 соответствует заряду -2/3).

Итак, авторы эксперимента утверждают, что на шариках обнаружены дробные заряды с величиной, кратной 1/3 от электронного. Однако реакция на это сообщение оказалась довольно сдержанной. В середине 1981 г. в Лиссабоне проходила традиционная международная конференция по физике высоких энергий и элементарных частиц. На этой конференции физики из Стэнфорда защищали свой результат, так сказать, с открытым забралом. Но, несмотря на оживленную дискуссию, скептики остались при своем мнении, авторы - при своем.

Термин "скептики" употреблен выше отнюдь не в осуждение. Несмотря на эффектность результата, упомянутый опыт пока единственный, а подводных камней в нем гораздо больше, чем можно было показать при таком поверхностном изложении. Не исключено и то, что при оценке этого сообщения играет роль инерционность мышления: физики уже свыклись с необычностью кварков, теоретики построили для них хитроумную темницу, из которой можно вырваться только в другую тюрьму и никогда - на волю, а тут вдруг оказывается, что никакой необычности у кварков нет.

Стало быть, на вопрос о реальности свободных кварков приходится отвечать почти бюрократической фразой: будущее покажет. Надеемся, что ближайшее...

ИЗ ЧЕГО ЖЕ СДЕЛАН МИР?

В конечном счете, именно таков один из основных вопросов, ответ на который ищет физика. Каковы фундаментальные кирпичики, использованные для постройки нашего мира и какие силы связывают их и приводят в движение? В разные времена на эти вопросы поступали разные ответы. Сейчас такими первичными, фундаментальными объектами физики считают лептоны и кварки.

Согласно более или менее общепринятой точке зрения, шесть лептонов и шесть кварков делятся на три семейства или поколения, которые во многом схожи друг с другом (рис. ниже). Первое семейство составляют кварки и и d,электрон и электронное нейтрино. В принципе этого набора достаточно, чтобы построить все обычное окружающее нас вещество. Во втором семействе находятся кварки s и с, мюон и мюонное нейтрино, а в третьем- кварки b и t, тау-лептон и соответствующее ему нейтрино. Представители двух последних семейств либо порождены в лабораторных опытах на ускорителях, либо сравнительно редкими гостями прилетают на Землю в потоках космических лучей. Теория пока не дает ответа на вопрос, зачем нужны природе три аналогичных семейства и будут ли открыты новые.

Попробуем теперь сосчитать, сколько же всего есть сейчас фундаментальных кирпичиков. Кажущийся очевидным ответ: 6 и 6 = 12, к сожалению, не совсем верен. Во-первых, каждый из шести кварков может существовать в одном из трех цветовых состояний. Во-вторых, каждый кварк и каждый лептон имеют двойника с приставкой "анти". И наконец, в-третьих, все кварки и леп-тоны обладают еще одним свойством, которое в этой статье не рассматривалось. Это свойство называется спираль-ностью и играет важную роль в слабых взаимодействиях. Все частицы с ненулевой массой покоя имеют два возможных состояния: левоспиральное и правоспиральное. Если считать нейтрино безмассовыми частицами, то полное число фундаментальных кирпичиков равно 90 - по тридцать в каждом семействе.

Такое число многим кажется неоправданно большим. Поэтому теоретики стараются сконструировать модель, в которой несколько частиц были бы первичными, а остальные производными от них. Первые успехи на этом пути уже достигнуты. В одной из моделей, например, показано, что можно считать пять частиц первичными и путем комбинирования этих пяти первичных частиц получить остальные двадцать пять. Конечно, такие построения носят несколько абстрактный характер, поскольку трудно себе представить, скажем, позитрон первичной, фундаментальной частицей, а электрон - составной. Но это лишь первые шаги на пути, который ведет к построению Теории Великого Объединения. Такая теория должна продемонстрировать общую природу трех из четырех известных сейчас видов взаимодействий. До недавнего времени казалось, что эти четыре взаимодействия - слабое, электромагнитное, сильное и гравитационное - не имеют между собой ничего общего. Однако уже построена теория - это произошло в шестидесятых годах, которая рассматривает слабое и электромагнитное взаимодействия как два проявления единого - электрослабого. Этот успех стимулировал дальнейшие исследования с целью объединить уже не два, а три взаимодействия.

Однако это тоже тема для отдельного рассказа.

¹О поисках этой частицы и о создании теории электрослабого взаимодействия было рассказано в статьях А. Семенова "Погоня за бозоном" и Г. Тахтамышева "W-бозон обнаружен?" - см. "Химию и жизнь", 1983, № 4.