Тайны открытий XX века
Шрифт:
По современным научным представлениям, кварки существовали отдельно друг от друга лишь на самой ранней стадии развития Вселенной, когда ее плотность и температура были невероятно велики. В принципе, в лаборатории можно воспроизвести подобные условия. Это, например, на доли мгновения удалось в 2003 году сотрудникам Брукхэйвенской национальной лаборатории (США).
Да, кварки остаются крайне загадочными частицами. Их исследование принесет еще много' неожиданностей. Даже внутренняя структура протона теперь не представляется такой уж простой, как прежде. Внутри протона, как говорят физики, «бурлящее месиво из кварков, антикварков и глюонов, которые непрестанно возникают из ничего и через крохотные доли секунды вновь исчезают. Кварки беспрерывно обмениваются глюонами, и это так называемое сильное взаимодействие скрепляет атомные ядра, не дает им распасться. Чем пристальнее мы вглядываемся в протон, тем больше частиц мы там обнаруживаем!» Так что о протоне можно сказать, что он состоит из трех стабильных кварков, если только… игнорировать эти частицы, исчезающие почти мгновенно.
Лет тридцать назад физики предположили, что могли бы существовать частицы, состоящие даже из четырех или пяти кварков. Подобная идея не противоречит Стандартной модели мироздания. Лишь в 1997 году российские физики Дмитрий Дьяконов, Виктор Петров и Максим Пляков сумели рассчитать, как должна выглядеть система из пяти кварков.
А уже в начале нашего века — новый шаг вперед. В 2003 году сразу несколько групп ученых, в том числе сотрудники российского Института теоретической и экспериментальной физики, обнаружили пентакварки — особые частицы, состоящие из пяти кварков.
Первыми эту частицу получили японские исследователи, пусть она и просуществовала всего 10– 20 (десять в минус двадцатой степени) секунды. Во время эксперимента в исследовательском центре под Осакой Такаси Накано и его коллеги бомбардировали энергетичными гамма-лучами твердый углеродный блок. При столкновении кванта гамма-лучей с нейтроном углеродного ядра появлялся заряженный К-мезон, но нейтрон при этом сохранялся. Последующий анализ продуктов реакции показал, что нейтрон сливался с положительно заряженным К-мезоном, причем на мгновение возникала частица, содержавшая пять кварков. Она состояла из двух Down-, двух Up- и одного aнтиStrange-кваркаa. Ее масса равнялась 1,54гигаэлектронвольт, что соответствовало теоретическим предсказаниям.
Подтвердилось открытие сразу. Американский исследователь Кен Хикс и его коллеги, бомбардируя гамма-лучами ядра дейтерия, также обнаружили следы пентакварка. После двухмесячных расчетов ученые пришли к выводу, что в общей сложности в проведенном опыте нейтроны 50 раз сталкивались с К-мезонами, образуя пентакварки. Масса необычной частицы, по Хиксу, составила 1,543 гигаэлектронвольт.
Итак, в 2003 году все сомнения в существовании пентакварка отпали. «Зоопарк» частиц пополнился новым экзотическим обитателем. Впрочем, вряд ли стоит рассчитывать на получение стабильной формы пентакварка. Найти ее можно разве что в центре черной дыры.
В 2007 году вступит в строй Large Hadron Collider (LHC) — новый коллайдер Европейского центра физики элементарных частиц, Большой адронный коллайдер. На этом гигантском кольцевом ускорителе протяженностью 27 километров протоны будут сталкиваться с антипротонами, разогнавшись почти до световой скорости. В момент такого соударения высвобождается энергия порядка 14 тысяч гигаэлектронвольт и возникает состояние, наблюдавшееся через 10– 12 (десять в минус двенадцатой степени) секунды после Большого Взрыва. Ежесекундно здесь можно будет производить до миллиарда столкновений.
С вводом в эксплуатацию нового коллайдера мы заглянем вглубь материи дальше, чем когда-либо. Очевидно, он произведет революцию в физике элементарных частиц. Возможно, предстоящие эксперименты пошатнут наши представления о фундаментальных основах мира и покажут, что кварки — вовсе не элементарные частицы и что они состоят из каких-то более крохотных частиц, иногда называемых «прекварками». В таком случае в XXI веке повторятся те же события, что пережила физика XX века, когда обнаружилось, что якобы неделимые нейтроны и протоны состоят из еще более элементарных частиц — кварков. Дробление материи на составные части продолжится. Может быть, «в материи, как в русской матрешке, — пишет обозреватель немецкого журнала «Bild der Wissenschaft», — мы будем находить все более миниатюрные “куклы” — и так будет продолжаться до бесконечности?»
Пока известно, что кварки и лептоны ведут себя как точечные частицы вплоть до расстояний порядка 10– 17 (десять в минус семнадцатой степени) сантиметра. Но что лежит по ту сторону этой границы вплоть до расстояния Планка, равного 10– 13 (десять в минус тридцать третьей степени) сантиметра? Физики называют эту область Микрокосма «Великой пустыней». Но разве может там простираться «пустыня», если вспомнить, как изобилуют элементарными частицами все остальные области Природы?
Превращения «призрачных частиц»
На рубеже нового века благополучно разрешилась и загадка солнечных нейтрино. Ученые долго не могли понять, почему на Земле регистрируют значительно меньше нейтрино, нежели предсказывала расчетная модель.
Еще в 1920 — 1930-е годы физики и астрономы предложили модель термоядерной реакции превращения водорода в гелий, протекающей внутри Солнца; из этой реакции наше светило черпает энергию. Расчеты, проделанные в шестидесятые годы, показали, что около двух процентов энергии уносят нейтрино. Покинув Солнце, эти «призрачные частицы» — их называют так потому, что они почти не взаимодействуют с другими частицами, — устремляются в космическое пространство. Миллиарды нейтрино в любое мгновение пролетают сквозь наши тела, но мы их не замечаем. По расчетам астрофизиков, каждый квадратный сантиметр земной поверхности ежесекундно пронизывают 5 миллионов подобных частиц. Нейтрино — самая распространенная частица на нашей планете и… самая неприметная.
В то же время экспериментальные данные свидетельствовали, что до Земли долетает почти вдвое меньше нейтрино, чем следовало из расчетов. Например, это показал российско-американский эксперимент SAGE, проведенный в 1992 году в Баксанской лаборатории на Кавказе.
Значит, либо неверна была модель процессов, протекавших в недрах Солнца, либо природа нейтрино была иной, например, у них могла быть совсем крохотная масса — в Стандартной модели она равнялась нулю.
В апреле 1996 года начались эксперименты на японском детекторе «Суперкамиоканде», содержавшем 50 миллионов литров сверхчистой воды. При столкновении нейтрино с атомами воды появлялись электроны, а, кроме того, наблюдались микровспышки. Их-то и можно было уловить с помощью фотоэлектронных умножителей, расставленных вокруг. Уже в первые месяцы работы эта установка зарегистрировала больше нейтрино, чем все остальные приборы за 25 лет наблюдений, и именное ее помощью в 1998 году была решена загадка дефицита нейтрино. У этой частицы, действительно, обнаружилась масса. Стало ясно, что на Солнце образуется «нужное» количество нейтрино, но приборы, очевидно, не могут заметить все их.