образования - сгусток состоит в основном из отдельных кварков и антикварков,
покинувших один из протонов.
Кварки и антикварки попарно образуют "кварковые атомы" - зародыши
будущих реальных мезонов. Несколько менее вероятно образование зародышей из
трех кварков или трех антикварков, которые впоследствии становятся барионами
или антибарионами соответственно. Эти зародыши начинают постепенно обрастать
структурой, каждый из них формирует вокруг себя из свободных
кварков-партонов кварковое море, а потом и внешнюю оболочку. По прошествии
определенного времени в сгустке вообще не остается свободных
кварков-партонов, все они как бы разбираются по формирующимся вокруг
зародышей оболочками. Сгусток превращается в набор отдельных адронов,
которые уже полностью сформировались, и распадается на эти адроны, главным
образом пи-мезоны.
Теперь понятно, почему этот механизм "множественного рождения" -
пионизацию - нельзя рассматривать как развал самих сталкивающихся протонов.
Ведь новые частицы образуются в этом случае из особого сгустка,
порожденного, в свою очередь, из структурных элементов обоих протонов. Очень
вероятно, что зародыши реальных мезонов, которые образуются в таком
процессе, представляют собой "кварковые атомы", включающие в себя, скажем,
кварки из одного протона и антикварк - из другого. Так что эти мезоны
оказываются продуктом "коллективного творчества" обоих сталкивающихся
протонов!
Новые мезоны, рождающиеся из сгустка, должны в определенной степени
помнить о своем происхождении из единого сгустка кварк-партонного вещества.
Видимо, этим и можно объяснить сильную взаимосвязь между ними, заметную
взаимозависимость актов рождения различных мезонов. Не исключено, что в
результате столкновения протонов образуется не один, а несколько сгустков,
которые потом и распадаются, излучая адроны.
Что же это за сгустки? Не являются ли они теми самыми файрболами, о
которых сообщали исследователи космических лучей?
Может быть, так и есть; но до полной уверенности еще далеко. Вообще
нарисованная здесь картина "множественного рождения" имеет весьма
предварительный характер. Многие, причем отнюдь не второстепенные детали
пока еще не ясны. Скорее всего это своеобразный проект, набросок той
картины, которая появится в будущей теории сильных взаимодействий.
Пока же вопросов все еще больше, чем ответов. Вы, конечно же, заметили,
что все заголовки данной главы - тоже вопросы. Их на самом деле много - этих
проблем, трудностей и неясностей, относящихся к поведению адронов. А
лептоны, а фотон?
И здесь нерешенных задач больше, чем хотелось бы видеть, отмечая
80-летие самой красивой дамы физического королевства...
Впрочем, стоит вспомнить прекрасную бальзаковскую строку: "Ключом ко
всякой науке является вопросительный знак". Она, несомненно, должна утешать
исследователей микромира, у которых накопилась внушительная связка этих
самых "ключей". Остается совсем немного - выяснить, какой из них послужит
настоящим "золотым ключиком" к будущей теории элементарных частиц.
(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 ШЕСТАЯ,
ПОЛНОСТЬЮ НАПРАВЛЕННАЯ В БУДУЩЕЕ
Что самое общее для всех -
Надежда; ибо если у кого и ничего нет, то она есть.
Фалес Милетский
НАДЕЖДЫ, ДЕНЬГИ И ВСЕ ТАКОЕ...
Я долго соображал, как назвать этот раздел. По инерции, унаследованной
от предыдущей главы, проносились вопросительные заголовки типа: "К чему мы
стремимся?", или: "Сколько стоит Бег за Бесконечностью?" В конечном счете,
эти вопросы и определяют цель очередного рассказа.
Физики все время стремятся к предельному упрощению картины сильных
взаимодействий. Существует предположение, что эта картина должна
действительно упрощаться с ростом энергии сталкивающихся частиц. На первый
взгляд оно кажется чуть ли не парадоксальным. Например, с ростом энергии
рождается все больше и больше адронов, а разбираться с несколькими
частицами, образовавшимися в результате соударения, уже довольно сложно.
Но в том-то и дело, что речь должна идти не о "несколько" и даже не о
"много", а об "очень много". И именно в последнем случае мы может
рассчитывать на определенную простоту.
Во-первых, при достаточно высоких энергиях физики могут столкнуться с
каким-то новым субэлементарным уровнем строения вещества и объяснить, таким
образом, устройство известных элементарных частиц. Это, конечно, идеальный
вариант, несколько напоминающий историю атомной физики. Ведь в свое время
атомы были поняты благодаря тому, что из них удалось выделить составные
части - электроны и ядра. Несмотря на то, что и электроны и ядра до сих пор
остаются в роли изучаемых и недостаточно понятных объектов, структура атомов
считается известной и весьма простой. Казалось бы, идеи о кварковой и
партонной структуре адронов хорошо оправдываются, и, следовательно, открытие
субэлементарного уровня вот-вот произойдет.
Но что делать, если реальные кварки так и не появятся? Как вы помните,
это не столь уж и удивительная возможность - кварки могут быть навечно
заперты внутри адронов огромными силами притяжения. Оказывается, что и в
этом случае необходимо стремиться к изучению взаимодействия частиц при все
более высоких энергиях
Дело в том, что, хотя кварки и заперты внутри адрона и никаким сколь
угодно сильным ударом их нельзя оттуда извлечь в чистом виде, с ростом
энергии их присутствие в адроне будет проявляться все отчетливей. Пусть
экспериментаторы так никогда и не увидят следы составных частей адрона на
фотопленке: важно то, что чем больше энергия налетающей на адрон частицы,
тем лучше она, эта частица, будет чувствовать отдельные элементы структуры -
кварки. В конце концов тогда картина адронных процессов станет достаточно
простой, и мы сумеем выяснить природу межкварковых сил.
Нелегко представить себе составной объект, из которого никоим способом
нельзя выделить его составные части. Их можно почувствовать, только
взаимодействуя со всем объектом как с целым... Это трудное новое
представление, с которым постепенно придется осваиваться, подобно тому, как
лет 50 назад с трудом осваивалась квантовомеханическая картина атома.
Стремление работать со все более высокими энергиями основано, конечно,
не только на желании разобраться в поведении и структуре адронов. Одна из
самых важных задач, стоящих перед физиками, - детальный анализ слабых
взаимодействий элементарных частиц. Единственная частица, которая
непосредственно участвует только в слабых взаимодействиях, - это нейтрино.
Поэтому все больший интерес вызывают эксперименты по рассеянию нейтрино
высоких энергий на протонах, лептонах и атомных ядрах.
Современная модель слабых взаимодействий предсказывает, например, очень
быстрый рост сечения рассеяния нейтрино на протонах. Самое любопытное
состоит в том, что пока экспериментальные данные очень хорошо подтверждают
это предсказание. С другой стороны, общие принципы современной теории
позволяют заключить, что эта модель при достаточно высоких энергиях
непременно должна нарушиться.
Столь же интересные проблемы существуют и в физике электромагнитных
взаимодействий. Важно узнать, вплоть до каких энергий будет применима
квантовая электродинамика? Как будут вести себя сверхэнергичные фотоны,
сталкиваясь с электронами и адронами? И это все - лишь небольшая часть
многих и многих совершенно конкретных задач, требующих постановки
экспериментов при все более высоких энергиях.
Вообще-то физики всегда надеются на открытие чего-нибудь совершенно
неожиданного, и надежды часто оправдываются. Но это, как правило, лишь
неизбежные подарки природы за настойчивость исследователей. Бывает, что
обнаруживаются и фантастические частицы, и удивительные закономерности,
однако, как мы уже не раз успели убедиться, под "принеси то, не знаю что"
опытов никто не ставит и ускорителей никто не строит.
Стэнфордский электронный ускоритель создавался с вполне определенной
целью - надо было более глубоко изучить структуру адронов и, конечно,
проверить, пригодна ли современная квантовая электродинамика для описания
явлений в области достаточно высоких энергий. Открытие партонов послужило
прекрасным оправданием этого проекта - ведь были обнаружены новые элементы
структуры нуклона!
Кроме того, в Стэнфорде была построена специальная установка СПИР -
накопительное кольцо для того, чтобы иметь возможность сталкивать между
собой пучки электронов и позитронов. Этот проект преследовал сравнительно
скромную цель - измерить сечения различных процессов, возникающих при
электрон-позитронных столкновениях. Но за внешне скромной идеей стояли
великие надежды. Ведь квантовая электродинамика дает четкие предсказания по
поводу взаимодействия этих частиц, однако при высоких энергиях эта теория
становится недостаточной, поскольку электрон и позитрон охотно аннигилируют
в адроны, и тут уж без знания законов сильных взаимодействий не обойтись.
Надо было разобраться, что же идет от чисто электромагнитных взаимодействий,
а что - от адронных процессов. Физики и раньше предчувствовали, что вклад
последних не так уж мал, но го, что они увидели, превзошло все ожидания.
В конце осени 1974 года научный мир был потрясен серией удивительных
сообщений. Американский журнал "Письма в физическое обозрение" поместил
сразу три небольшие заметки на одну и ту же тему. Во всех трех говорилось,
что в электрон-позитронных столкновениях обнаружен новый тип резонансных
частиц. Заметки поступили практически одновременно из Брукхэвена, из
Стэнфорда и из итальянского города Фраскати, причем итальянцы, чтобы не
терять время на почтовую пересылку, продиктовали свою статью прямо по
телефону...
Новые частицы пси-мезоны, как их сразу обозначили, обладали весьма
примечательными свойствами: массами более 3 ГэВ и слишком большим временем
жизни, чтобы считать их обычными адронными резонансами. Некоторое время
сохранялась надежда, что сделано "открытие века" - найдены, наконец,
долгожданные зэт-мезоны - гипотетические переносчики слабых взаимодействий
наряду с дубль-вэ-мезонами (заместители фотонов по "слабым силам").
По поводу дубль-вэ-мезонов и дубль-зэт-мезонов физики думали, что они
будут иметь большие массы и взаимодействовать только слабым и
электромагнитным образом. Но вскоре было доказано, что пси-мезоны -
настоящие адроны, а их долгожительство оказалось действительно сложнейшей
проблемой. В процессе ее исследования выяснилось, что теперь уже без нового
квантового числа - "очарования" обойтись практически невозможно Пси-мезоны
должны быть своеобразными кварковыми атомами, состоящими как раз из
"очарованного" кварка и антикварка.
История открытия пси-мезонов интересна и сама по себе, но для нас она
играет дополнительную роль как пример незапланированного открытия в сугубо
плановых экспериментах. В Брукхэвене опыты ставились на старом протонном
ускорителе, работающем уже с 1960 года, и изучались электрон-позитронные
пары, образующиеся в результате бомбардировки ядер бериллия протонами. В
Стэнфорде же и во Фраскати исследования велись на установках, специально
созданных для получения высокоэнергетических электронных и позитронных
пучков. Но, конечно, ни в одном из этих центров не предполагали, что удастся
открыть именно пси-частицы, а просто выполняли весьма обширные программы по
измерению сечений электрон-позитронных взаимодействий. Можно ли сказать, что
исследователям просто повезло? Только лишь отчасти! Ибо не имей они ясных
целей, до везения дело бы просто не дошло.
Без хорошо обоснованных экспериментальных программ современная физика
высоких энергий совершенно немыслима. И дело здесь не только в скептическом
или восторженном отношении к броскам "в нечто неведомое". За эмоциями стоят
весьма серьезные, хотя и несколько прозаические аргументы - рубли, доллары,
фунты, марки...
Вот Серпуховский ускоритель. Его протонный пучок разгоняется до 76 ГэВ
и несет примерно два с половиной триллиона частиц в каждом импульсе. В
полуторакилометровом подземном туннеле установлены 120 магнитных блоков
общим весом 20 тысяч тонн...
Батавия. "Колечко" радиусом один километр, по которому разбросано 954
магнита весом от 5 до 11 тонн каждый. Достигнута энергия 405 ГэВ...
Американцы, умеющие мгновенно находить долларовый эквивалент чего
угодно, как-то подсчитали, что один гигаэлектрон-вольт нового ускорителя
обходится в среднем ни много ни мало ровно в миллион долларов! Так что
каждый очередной шаг в глубь микромира требует и серьезных экономических
размышлений.
Нужно иметь высокоразвитую техническую и экономическую базу, чтобы
создавать мощные ускорительные установки. Пока этими возможностями
располагают две страны: СССР и США. Уже сейчас ни одна страна мира, за
исключением Советского Союза и Соединенных Штатов, не способна собственными
силами построить ускоритель с энергией пучка 100-1000 ГэВ и обеспечить
необходимое финансирование дальнейшей его работы. Двенадцати крупнейшим
государствам Западной Европы, среди которых Франция, ФРГ, Англия, Италия,
пришлось объединить усилия, чтобы создать ЦЕРН, где работает ускоритель на
30 ГэВ. Несколько лет назад там было создано накопительное кольцо,
позволяющее исследовать взаимодействия протонов при энергиях до 2000 ГэВ.
Уже подготовлен к пуску новейший суперсинхротрон с энергией протонного пучка
до 400 ГзВ, а на очереди - новое накопительное кольцо, которое позволит
столкнуть два пучка по 400 ГэВ друг с другом, то есть наблюдать процессы,
происходящие при 320 тысячах ГэВ (320 триллионов электрон-вольт!).
Прекрасным примером "эволюционизирующего ускорителя" служит Батавийский
синхротрон. Первоначальный проект предполагал вывод пучка до 200 ГэВ. Сейчас
уже достигнут рубеж 400. Не за горами и покорение следующего рубежа - 500.
После этого предусмотрена серьезная перестройка ускорителя - будет введено в
строй кольцо со сверхпроводящими магнитами, которое обеспечит гораздо
большее магнитное поле. Это позволит при том же радиусе кольцевого туннеля
получить частицы с энергией до 1000 ГэВ. Предусмотрено также строительство
накопительного кольца, что позволит в не слишком далеком будущем приступить
к исследованию адронных процессов при энергиях до 2 миллионов ГэВ.
Развитие физики элементарных частиц и атомного ядра рассматривается как
ведущее направление в советских научно-исследовательских программах.
Большая программа реконструкции намечена сейчас и в Серпухове. Рабочие
площадки Института физики высоких энергий станут настоящим "комбинатом" по
раскрытию тайн микромира. Главные усилия будут приложены к сооружению нового
ускорителя примерно на 1200 ГзВ. Длина кольцевого туннеля достигнет 20
километров! Рядом с этим гигантом расположатся накопительные кольца и другие
ускорительные установки, где будут разгоняться до фантастических скоростей
не только протоны, но и электроны. Предусмотрены специальные установки для
получения интенсивных пучков античастиц, прежде всего антипротонов и
позитронов. Таким образом, физики получат уникальные возможности решения
множества задач. Исследования будут вестись гораздо более широким фронтом,
чем в любом ныне действующем центре, - ведь у экспериментаторов появятся
пучки самых различных частиц при различных энергиях, причем в невиданно
широком диапазоне. В проекте заложены и превосходные возможности развития.
Для всех крупнейших ускорителей Серпуховского комплекса предусмотрен
последующий переход к сверхсильным магнитам, которые позволят значительно
увеличить энергии частиц.
Интересную идею проводят в жизнь ученые Объединенного института ядерных
исследований в Дубне. По инициативе директора Лаборатории высоких энергий,
члена-корреспондента АН СССР А. Балдина старый Дубненский синхрофазотрон
"переведен на новую работу" - теперь он ускоряет не отдельные частицы, а
целые атомные ядра.
Все эти достижения превосходны. Однако дальнейшее движение вперед
потребует новых особых усилий. К сожалению, накопительные кольца - не
панацея от всех бед. На встречных пучках нельзя поставить многие необходимые
эксперименты, да и точность доступных измерений в этом случае значительно
ниже, чем на обычной установке с пучком, падающим на неподвижную мишень из
конденсированного вещества. Поэтому физики не "почили на лаврах". Они упорно
ищут новые идеи получения чрезвычайно высоких энергий при сравнительно
небольших размерах и весе установки. Уже много лет в Дубне разрабатывается
оригинальный метод коллективного ускорения. Высокая эффективность
достигается здесь за счет того, что разгоняется, скажем, не чистый пучок
протонов, а целый коллектив частиц - своеобразный комок плазмы с большим
Новинки >> Русской фантастики (по файлам) | Форумов | Фэндома | Книг