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
Новинки >> Русской фантастики (по файлам) | Форумов | Фэндома | Книг