Кварки – кирпичики мироздания?

кирпичики мирозданияМногим, наверное, знакомо огорчение, которое доставляет ребенок, ломаю­щий новую игрушку, чтобы посмотреть, что там внутри так забавно пищит и скрипит. С интересом рассматривает малыш кучу об­ломков: шестеренки, пружинки и другие не­хитрые детали игрушки. А ведь в процессе этого стихийного анализа окружающих предметов он повторяет на свой манер путь, которым шли и идут поныне ученые, «раскладывающие» окружающий мир чело­века на отдельные элементарные «кирпичи­ки».

Представление о том, что все в природе состоит из отдельных простых элементов, зародилось, как мы знаем, еще у древних ученых. С развитием научных знаний разви­валась и эта идея, причем для различных наук объектом изучения стали различные «кирпичики». Химия, например, имеет дело с молекулами, свойства которых полностью определяют свойства вещества. Но что в самой молекуле является носителем ее свойств? Атомы простейших химических эле­ментов, из которых она состоит? Долгое время атомы казались неделимыми носите­лями определенных свойств, но и атом ока­зался сложным, состоящим из ядра и элект­ронной оболочки объектом. Довольно бы­стро ученые поняли, что ядра атомов в свою очередь построены из протонов и нейтро­нов — их-то и назвали элементарными ча­стицами.

До последнего времени казалось, что в этом длинном ряду все уменьшающихся «кирпичиков» поставлена точка, и то, что сейчас называют элементарной частицей, и есть на самом деле самый маленький «кирпичик» природы. Однако целый ряд фактов заставил усомниться в этом убежде­нии. Появился новый кандидат на роль са­мого элементарного «кирпичика» приро­ды — КВАРК. О нем и будет рассказано в этой статье. Но сначала остановимся на вто­ром от конца звене в цепочке: молекула — атом — ядро —элементарная частица — кварк.

Все открытые до сих пор элементарные частицы делятся на три группы: тяже­лые частицы — барионы, легкие частицы — лептоны и частицы средней массы — ме­зоны. Особняком стоит только фотон — квант электромагнитного поля или просто частичка света.

Элементарные частицы отличаются друг от друга свойствами и прежде всего массой, а точнее массой покоя (это масса, которую имела бы полностью остановившаяся части­ца). Теорией относительности Эйнштейна ус­тановлено, что движущаяся частица имеет большую массу, чем покоящаяся, причем никакая из частиц, обладающих массой по­коя сколь угодно малой, не может двигаться со скоростью, большей или равной скорости света (300 ООО км/сек). И только фотон и нейтрино, вообще не имеющие массы по­коя, движутся с этой скоростью. Зато ни фотон, ни нейтрино нельзя ни остановить, ни замедлить.

Кстати сказать, нейтрино, а точнее — обе его разновидности — входят в группу самых легких элементарных частиц, лептонов. Представителей лептонов относительно мало. Кроме нейтрино к ним относится хорошо всем известный электрон и мю-мезон с отрицательным зарядом. Электрон имеет массу покоя 0,5 Мэв (Мэв = 1,77 — • 10-27 грамма), мю-мезон обладает массой 105 Мэв. Эта частица до сих пор остается загадочной, так как по всем другим своим свойствам она ничем не отличается от электрона. О ней даже говорят иногда как о тяжелом электроне.

Частицы группы барионов имеют массы порядка 1000 Мэв, а массы мезонов заклю­чены в интервале между массой мю-мезона и массами тяжелых частиц.

Второй важнейшей характеристикой частицы служит спин. Это свойство имеет­ся только у представителей микромира и за­ключается оно в следующем. Каждую части­цу можно грубо представить себе в виде твердого шарика. Характерный диаметр та­кого шарика равен приблизительно 10-13 см (в то время как для атомов он составит 10-8 см). Этот твердый шарик может кру­титься, подобно волчку, вокруг какой-либо оси, проходящей через центр шарика, и, сле­довательно, как помнит читатель из школь­ного курса физики, может иметь момент количества движения. В привычном для нас мире больших размеров и масс момент ко­личества движения может быть любым. В микромире он дискретен и выражается только числом h* n/2, где h = 1,06-10-27 эрг•сек, а n — любое целое число из натурального ряда. Спином частицы, характе­ризующим ее вращение вокруг центра, и называют число n/2.

Спин может быть либо целым, либо полуцелым — в зависимости от четности и не­четности числа n. Замечателен тот факт, что у фотона и всех мезонов спины целые, а у лептонов и барионов полуцелые, причем пока не обнаружены частицы со спином, большим 5/2. Есть простое объяснение тому, почему у частиц не может быть больших спинов. Так как спин характеризует враще­ние частицы вокруг центра, то большой спин означал бы вращение с большой скоростью, и под действием центробежных сил частица могла бы развалиться, как разваливаются на куски колеса поезда, развившего слиш­ком большую скорость.

У элементарных частиц есть еще одно свойство, которое, грубо говоря, харак­теризует их форму Это свойство, называе­мое четностью. Чтобы понять, что это такое, вспомним, какой представляется нам в зер­кале перчатка с правой руки. Она превра­щается в левую перчатку и, наоборот, левая перчатка становится в зеркальном отраже­нии правой. Но поднесите к зеркалу шар, и в его изображении ничего не изменится. Так вот, те частицы, которые «ведут себя» при отражении в зеркале как левая и пра­вая перчатки, называются нечетным, а те, чье отражение подобно отражению шара, четными. Интересно, что две перчатки, пра­вая и левая видны в зеркале как пара тех же двух перчаток, то есть совокупность двух нечетных объектов уже ведет себя как объект четный! Это в полной мере распространяется и на элементарные частицы.

И, наконец, есть в микромире еще один вид свойств, не связанный с движением частиц как твердых тел и с их формой. Это заряды частиц. Надо сказать, что микромир удивительным образом делится на две«половины»: частицы и античастицы. Они отличаются друг от друга только четностью и знаком заряда. Первый тип заряда Q — давно известный (хотя до сих пор не выяс­нена его природа), — электрический заряд. Все элементарные частицы заряжены либо положительно, либо отрицательно, либо электрически нейтральны. Важнейшим и та­инственным можно назвать тот факт, что у всех обнаруженных до сих пор частиц, а следовательно, и у построенных из них ядер атомов электрический заряд по абсо­лютной величине кратен заряду электрона. Это обстоятельство ни из каких теоретиче­ских соображений не вытекает, а следова­тельно, не запрещено существование и та­ких объектов микромира, у которых бы это свойство нарушалось.

Менее привычны для нас открытые срав­нительно недавно два других типа заряда элементарных частиц: барионный заряд В и гиперзаряд Y. Барионный заряд равен еди­нице для всех барионов и нулю для мезо­нов, лептонов и фотона. Пока не найдено частиц с большим барионным зарядом, хотя их существование и предполагается.

В мире элементарных частиц постоянно идут различные реакции, в результате кото­рых одни частицы превращаются в другие, распадаются. Но во всех процессах остает­ся неизменным полный электрический за­ряд, точно так же, как сохраняется и бари­онный заряд, то есть полное число тяжелых частиц.

Гиперзаряд сохраняется далеко не во всех процессах. Определяющую роль игра­ет тут взаимодействие между элементар­ными частицами. Мы знаем сейчас четыре типа такого взаимодействия — это как бы четыре вида раствора, соединяющего кирпичики микромира: сильное взаимодейст­вие, электромагнитное, слабое и гравитаци­онное. Последнее есть просто притяжение масс, открытое Ньютоном. В силу своей ничтожности оно никакой роли в жизни элементарных частиц не играет. Процессы, идущие с помощью сильного взаимодейст­вия (которое, кстати, удерживает протоны и нейтроны в ядре), это очень быстрые про­цессы, разыгрывающиеся на малых расстоя­ниях, соизмеримых с размерами частиц. Ха­рактерные интервалы времени для сильных взаимодействий 10-21—10-23 секунд.

Электромагнитное взаимодействие вы­ражено слабее. Процессы, обязанные ему, идут медленнее, и характерное для них вре­мя — 10-16—10-17 секунд. Вот как раз в тех процессах, которые связаны с сильным и электромагнитным взаимодействием, и со­храняется гиперзаряд, о котором шла толь­ко что речь. Слабое взаимодействие, не со­храняющее гиперзаряда, отвечает за самые медленные в масштабах микромира про­цессы с большим характерным временем порядка 10-10 секунд. Подобно сильному взаимодействию, оно проявляется при очень маленьких расстояниях между части­цами.

Все три типа взаимодействия играют су­щественную роль в жизни частиц. Ведь большинство из них нестабильно. В свобод­ном состоянии почти все они распадаются, превращаясь в конце концов в стабильные частицы: протон, электрон, фотон и нейт­рино. Вот почему в окружающем нас ве­ществе встречается так мало других эле­ментарных частиц.

Время жизни элементарной частицы оп­ределяется обычно слабым взаимодействи­ем, и характерное время жизни частицы, распадающейся по слабому взаимодейст­вию, и есть те самые 10-10 секунды, о кото­рых говорилось выше. Однако в последнее время открыто много новых элементарных частиц, называемых резонансами, — они рас­падаются с помощью сильных взаимодейст­вий и живут потрясающе короткую жизнь 10-23 секунды. Иногда распад частиц идет и с помощью электромагнитных сил.

Может возникнуть вопрос, как удалось столько узнать о мельчайших объектах с таким малым сроком жизни?

Большая часть сведений об элементар­ных частицах получена физиками на ускори­телях, где создаются пучки быстрых ча­стиц — электронов или протонов. Эти пуч­ки направляются на мишени — ядра каких-либо атомов. При этом происходят разно­образные реакции, изучение которых по­полняет наши знания о микромире. Но этим возможности исследователей не ограниче­ны. Они ведут работу еще на одном гигант­ском ускорителе — он создан самой приро­дой. Каждую секунду на Землю из Вселен­ной непрерывно обрушивается поток космических лучей, которые представляют собой набор самых различных частиц. Неко­торые из этих частиц обладают такой высо­кой энергией, подобную которой еще долго не смогут получить экспериментаторы. Кос­мические лучи тоже вызывают на земле ядерные реакции, например, в веществе фотопленок. Проявляя пленку, можно уви­деть и тщательно проанализировать следы, оставленные в фотоэмульсии частицей и продуктами вызванной ею реакции.

Физик, исследующий элементарные ча­стицы, похож на химика, который для изуче­ния каких-то химических реакций располага­ет всего несколькими молекулами или даже атомами реагирующих веществ. Но несмот­ря на колоссальные экспериментальные трудности и дороговизну опытов, число от­крытых и изученных элементарных частиц сегодня ненамного отличается от числа химических элементов, известных Д. И. Мен­делееву в то время, когда он создавал свою таблицу.

В физике уже неоднократно предприни­мались попытки создать «Периодиче­скую систему» для элементарных частиц. Было перепробовано немало способов классификации. Но надо сказать, что до по­следнего времени методы изучения элемен­тарных частиц и, особенно их классифика­ции, слабо опирались на математику. Физи­ки больше занимались поисками и описани­ем частиц, чем созданием строгой теории, предсказывающей новые частицы и их свой­ства. Могучим толчком, позволившим наве­сти порядок в мире элементарных частиц и предсказать — поразительно правильно — новые интересные эффекты, стало приме­нение нового принципа симметрии и исполь­зование математических методов теории групп. Детали этих методов слишком слож­ны и выходят за рамки популярной статьи, однако суть их можно пояснить на неслож­ном примере.

Допустим имеется кристалл, например поваренной соли NаСl, в котором ионы эле­ментов расположены упорядоченно, то есть существует некоторая совокупность опера­ций поворота и сдвигов, которые ставят кристалл в положение, неотличимое от первоначального. Эти операции образуют так называемую группу симметрии кристалла, которая для NаСl будет, как хорошо известно, кубической. Было высказано предпо­ложение, что и в мире элементарных частиц существует (для барионов и мезонов) некоторая иная симметрия, названная SU(3). От­сюда как следствие получалось, что части­цы собираются в группы — мультиплеты по 8 и 10 частиц с примерно одинаковыми свойствами, причем все заряды, которые получались из этой математической схемы, удивительным образом совпали с наблюда­емыми зарядами реальных частиц.

Природа подобной симметрии до сих пор остается загадкой, однако ее реаль­ность не вызывает никаких сомнений, так как все следствия, вытекающие из гипотезы SU(3), согласуются с опытом. Мультиплет из восьми барионов — иначе октет барионов, составлен из следующих частиц, имею­щих спин 1/2, положительную четность и при­мерно одинаковую массу: протона, нейт­рона, трех частиц Σ+, Σ°, Σ- -гиперонов, двух частиц Σ- и Σ°-гиперонов и Λ-ги­перона.

Их заряды и массы показаны в этой таб­лице:

заряды и массыГипотеза SU(3) предсказывала, что все эти частицы можно точно расположить в вершинах и центре правильного шести­угольника, получаемого на графике зависимости числа Y от Т3 = Q — Y/2.

графикКак мы видим, это предсказание пол­ностью оправдалось! Но имеет место еще более интересный факт. SU(3)-гипотеза предсказывала существование 10 частиц — декаплета, с одинаковым спином и чет­ностью, для которого соответствующий рас­четный график имел вид правильного тре­угольника (точки на его сторонах обознача­ют места для частиц):

расчетный графикДля девяти точек на этом графике ча­стицы были известны, а для нижней верши­ны треугольника, которая обозначена частицы не было. Гипотеза SU(3) сразу предсказывала, что у этой частицы должен быть барионный заряд 1, электрический за­ряд — 1, гиперзаряд — 2, а спин, как у всех остальных частиц декаплета, обозначенных на рисунке буквами (это хорошо установ­ленные резонансы), должен быть равен 3/2. Предполагалось, что четность у нее поло­жительная, была указана и масса этой ча­стицы. И вот всего полтора года назад ча­стица с такими «данными» была обнаруже­на! Среди ста тысяч снимков с различными реакциями оказался один (!) снимок, на ко­тором была сфотографирована Ω--частица (омега-минус-гипертон), причем все ее свойства совпали с предсказанными.

Вспомните, читатель, теоретический вы­вод Д. И. Менделеева о существовании новых не открытых еще элементов, для ко­торых предназначались пустые клетки в его таблице. С момента открытия Ω--частицы внимание всех физиков приковано к новому групповому подходу в теории элементарных частиц. Студенты и профессора засели за изучение разделов математики, которые малоизвестны и большинству самих мате­матиков. Число работ в этом направлении побило все рекорды… И здесь мы подходим к самому волнующему месту проблемы. Дело в том, что из гипотезы SU(3) следует, что должен существовать такой график:

график-треугольникЕсли, как это делалось для октета и де­каплета, попытаться отождествить точки этого графика с реальными частицами, то по­лучается, что должны существовать частицы с удивительными свойствами: дробными электрическими зарядами 2/з у q1; —1/3 у q2; — 1/3 у q3 и дробным гиперзарядом, что до сих пор никогда не встречалось. Гелл-Манн в США и Цвейг в Швейцарии одновременно выдвинули гипотезу, что такие частицы су­ществуют. Они были названы американским исследователем кварками (слово «кварк» взято им из романа Дж. Джойса «Пробуж­дение Финнегена» и обозначает химери­ческие существа, чудившиеся герою ро­мана во время галлюцинаций). Гипотеза о существовании кварков тотчас позволила объяснить все свойства элементарных ча­стиц, вытекающие из гипотезы SU(3)-сим­метрии.

Объяснение состоит в том, что все бар- ионы можно «сконструировать», набирая для этого комбинации из кварков (одина­ковых или разных, по три штуки). Мезоны же можно построить, используя различные комбинации: кварк плюс соответствующий антикварк (q1; q2; q3 и q̅1; q̅2; q̅3).

Таким образом, если кварки существуют, то они и есть «самые элементарные» ча­стицы, из которых построены все мезоны и барионы, а следовательно, ядра атомов и так далее…

Итак, из всего громадного числа эле­ментарных частиц «истинно элементар­ные» — лишь фотон, лептоны, а также квар­ки. Остается выяснить одно — существуют ли кварки? Сейчас мнения ученых раздели­лись, хотя большинство считает странным, что частицы, которые так замечательно объ­ясняют множество сложных и, казалось, не­разрешимых вопросов, — лишь математиче­ская абстракция. Поэтому в лабораториях всего мира идут интенсивные поиски этих загадочных частиц в свободном состоя­нии; считается, что по крайней мере один тип кварков должен быть в этом состоянии стабильным.

Итак, ищут частицы с дробными электри­ческими зарядами.

Так как на современных ускорителях до­стигнуты достаточно большие энергии и тем не менее кварки не обнаружены, то счита­ется, что у них должна быть очень большая масса, во всяком случае больше 8000 Мэв. Кварки ищут в космических лучах: так как заряд у них дробный, меньше заряда других элементарных частиц, то они должны оставлять более тонкие следы в устрой­ствах, регистрирующих элементарные час­тицы.

Пока в космических лучах кварков не об­наружено. Но можно ожидать, что в этих исследованиях скоро будет получен опре­деленный ответ — не так давно, сообщая о запуске многотонной космической станции «Протон-1», газеты отмечали, что аппара­тура этой надземной лаборатории предна­значается, в частности, для поисков кварков.

Большой интерес представляют попытки организовать поиски кварков на основе идеи, выдвинутой советским физиком, ака­демиком Я. Б. Зельдовичем и его сотрудни­ками. Идея состоит в том, что стабильные кварки или ядра, присоединившие одиноч­ный кварк, могли накопиться, правда, в очень малой концентрации, в океане за вре­мя существования Земли. Быть может, квар­ки есть и в веществе метеоритов, которые в космическом пространстве облучались космическими частицами высокой энергии, вследствие чего в массе метеорита могли родиться кварки. Однако, опять-таки по предварительным оценкам, их концентра­ция и здесь очень мала. Высказывается предположение, что в океане могут сущест­вовать растения или живые существа, в ча­стности рыбы типа электрического ската, концентрирующие кварки, либо соединения, где они содержатся. Сейчас идут поиски хи­мических методов анализа морской воды, с помощью которых можно было бы найти кварки.

Надо отметить, что эти частицы или их совокупности могут, как предсказывает тео­рия, присоединять к себе электроны и образовывать кварковые атомы, которые в свою очередь могли бы давать совершенно новые, удивительные соединения. Кто знает, не появится ли в будущем новый раздел хи­мии кварковых соединений.

Есть еще одна очень важная сторона в во­просе о существовании кварков. Если они действительно обладают такой большой массой, а у элементарных частиц, «слепленных» из кварков, масса уже гораздо мень­ше, то при реакции соединения трех квар­ков, например, в протон, должна выделять­ся колоссальная энергия, в миллионы раз больше той, что выделяется при аналогич­ной термоядерной реакции. Конечно, сейчас возможность использования этой энергии кажется фантастической. Однако, когда в тридцатых годах была впервые сформули­рована возможность практического исполь­зования атомной энергии, это тоже никем не принималось всерьез. Можно далее предположить, что реакции синтеза из квар­ков элементарных частиц играют существен­ную роль в космических процессах, напри­мер, при взрывах ядер галактик, так как по расчетам советского астрофизика В. А. Ам­барцумяна, обычной энергии, в том числе и ядерной, явно недостаточно для поддер­жания этих гигантских процессов.

Подтверждение существования кварков, будет ли оно отыскано физиками на ускори­теле или в химической лаборатории, а ско­рее всего в результате объединенных усилий физиков и химиков, станет настоящим три­умфом науки и повлечет за собой далеко идущие последствия. Оно заставит пере­смотреть многое в естественнонаучных и философских взглядах на природу, откроет совершенно неожиданные направления в практическом использовании новых научных открытий.

Однако работа предстоит трудная и, на­верняка, долгая. Может быть и вам, чита­тель, посчастливится внести свой вклад в эти увлекательные поиски.

В. И. Манько­

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>