Охота за кварками

Чирков Юрий Георгиевич

Аппетит, как говорится, приходит во время еды. Ободренные успехом, физики замыслили новое объединение — «великое», или «гранд-объединение» электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий.

Это заботы настоящего, а в будущем видится еще более дерзкая акция — объединение всех сил, включая и гравитацию. Эта программа получила название «суперобъединения».

Здесь уже все: и полный спектр масс элементарных частиц, и объяснение их характеристик, и ответы на вопросы, почему одни частицы заряжены, другие нет, почему масса протона точно в 1836 раз больше массы электрона, отчего

никак не удается обнаружить свободные изолированные кварки и т. д. — все должно быть истолковано. «Заодно мы объяснили бы весь Мир» — так полушутя выразился один советский физик.

Удастся ли ученым дотянуться до истинной простоты, будут ли удовлетворены их амбиции полностью — покажет время. На очереди сейчас «великое объединение».

Оно могло бы показаться игрой фантазии физиков-теоретиков, если бы не одно вытекающее из него фундаментальное предсказание. Вот оно: протон, дотоле считавшийся абсолютно стабильной частицей, должен — если «великое объединение» возможно, — просто обязан распадаться!

Дрожанье хаоса

Лукреций Кар (I век до новой эры, римский поэт и философ, страстный пропагандист учений Эпикура) в поэме «О природе вещей» вслед за Демокритом объявил атомы вечными. Он полагал, что это тот фундамент, на котором и покоится незыблемость нашего мира.

Идея была прекрасной, но, к несчастью, этот благородный римлянин плохо представлял, что же такое эти самые атомы.

Веру в постоянство и неизменность атомов перечеркнуло открытие французом А. Беккерелем радиоактивности (1896). Оказалось, что ядра многих атомов нестабильны и могут самопроизвольно распадаться.

Вначале полагали, что это удел лишь некоторых тяжелых элементов, вроде урана или радия. А что-де ядра элементов обычных, таких, как водород или кислород, сохраняют стабильность.

И эта иллюзия быстро развеялась. Сейчас ученые понимают, что стабильность всех атомов и молекул, а вместе с ними и всей макрожизни, зиждется на весьма шатких основаниях. И виноваты в этом процессы, происходящие на самых нижних этажах природы.

Все элементарные частицы можно разбить на три класса.

В первом всего одна частица — фотон, этот квант и переносчик света (и по-гречески слово «фотон» означает свет).

Второй класс заселили лептоны (от греческого «мелкий», «узкий»). В этом классе счет идет уже на десятки.

К лептонам относятся электрон, позитрон (античастица, «антипод» электрона, «позитро» по-латыни значит «положительный»), различные нейтрино, мюоны…

Фотон и лептоны, хотя среди них встречаются распадающиеся частицы, еще не подрывают нашей веры в прочность и основательность мироустройства. Лик нестабильности явственно проступает только в третьем классе элементарных частиц — адронов (от греческого «массивный», «крупный», название предложил физик-теоретик член-корреспондент АН СССР Л. Окунь).

Адронов — к ним относятся и протон с нейтроном — тьма-тьмущая. Их несколько сотен: любители точности называют число 350. Впрочем, физикам это число уже не кажется столь огромным. Ведь в некоторых теоретических моделях количество элементарных частиц исчисляется тысячами! (Это прискорбное обстоятельство отпугивает даже самых бесстрашных: никто пока не отважился проводить детальное изучение подобных возможностей.

Может быть, это удастся осуществить в союзе с вычислительными машинами?)

Другое (кроме многочисленности) удивительное свойство адронов состоит в том, что эта мелочь («крупны» они только по отношению к фотону и лептонам, размеры адронов порядка 10 ^{– 13}сантиметра) имеет крайне сложную внутреннюю структуру и при этом живет очень и очень недолго.

Даже самые долгоживущие из адронов, так сказать, Мафусаилы микромира, не протягивают дольше 10 ^{– 8}секунды. В основном же время их жизни составляет 10 ^{– 23}секунды. Оно ненамного больше того (убедитесь сами), которое необходимо свету, имеющему скорость 300 тысяч километров в секунду, чтобы пройти через тот же адрон.

(Собственно, мизерность времени жизни адронов не должна нас очень смущать: иной мир, иные и масштабы!

И можно спорить, например, о том, что стабильнее: автомобиль, который «распадается», пройдя 100 тысяч километров пути, или частица пион, оставляющая в пузырьковой камере до своего неизбежного распада сантиметровые «следы».

Нетрудно подсчитать, что пион способен пройти расстояния, в 10 ¹⁵раз превышающие его собственные размеры. У автомобиля тот же показатель составляет величины гораздо меньшие: порядка 10 ⁷. Вот и получается, что пион можно считать гораздо «стабильнее» автомобиля.)

В краткости жизни микрочастиц не было бы ничего удивительного, если бы среди них не затесалось несколько кощеев бессмертных. С ними-то и связаны все надежды на хотя бы относительную прочность окружающего нас мира.

Из многих сотен так называемых элементарных частиц правом на бессмертие обладают (пока?) лишь несколько избранников природы, которых легко можно перечесть по пальцам. Это фотон, электрон, нейтрино, протон (единственный из семейства адронов). Нейтрон, этот один ил главных компонентов почти любого атомного ядра, являющийся также адроном, в свободном состоянии неустойчив: примерно через 16 минут он распадается. Правда, в составе стабильных атомных ядер они (нейтроны) сравнительно устойчивы. Нейтроны ставят перед физиками еще одну загадку: почему они распадаются не на три кварка, как это следовало бы ожидать, а на протон, электрон и электронное антинейтрино?

Итак, мы насчитали лишь четыре типа устойчивых частиц. Все другие элементарные частицы умирают, не успев как следует родиться, ибо время их жизни ничтожно.

Основательность, незыблемость картины мира — где вы? Страшно вообразить Вселенную, которая в основном оказалась сработанной из быстроразваливающихся частиц. Сплошной поток гримас, хор судорог, сливающийся в одно дрожанье хаоса.

Немыслимыми путями этот поток беспорядка организует нам все окружающее. Поддерживает термоядерные реакции, без которых погасли бы Солнце и звезды, творит земную твердь, разумных и неразумных тварей на ней, растения.