Страница 14 из 78
Это уже была победа. Ибо, зная, в каком мультиплете находится малоизученная или предполагаемая, но неизвестная частица, можно по свойствам остальных, более известных «родственников» рассчитать ее данные.
Теоретическое обоснование мультиплетным объединениям дали советский ученый М. А. Марков и затем американец М. Гелл-Манн. Подобно тому как любое вещество, скажем железо, может принимать при определенных условиях твердое, жидкое, газообразное, плазменное состояние, также и ядерное поле в различных условиях принимает свое устойчивое состояние, которое и проявляется в форме определенных элементарных частиц.
В 1964 году произошло чрезвычайно важное событие. Был открыт омега-минус-гиперон. Ученые-физики ликовали. Впервые была найдена реальная элементарная частица, существование которой заранее предсказывалось определенной «пустой клеточкой» в одной из групп мультиплетных семей элементарных частиц.
В то время как в мультиплетах обычно обитает не менее 8 схожих частиц, образовывалась предполагаемая семья всего с тремя родственниками. Это было очень странно. Но вместе с тем если отбросить три непонятные, к тому же практически не найденные частицы, то нарушается стройность всей таблицы.
М. Гелл-Манн решился признать три непокорных частицы (и такие же три античастицы, наделенные противоположными зарядами). Поскольку они невидимки и их не изучали в реальной жизни, он попробовал теоретически рассчитать свойства этих частиц. Получилось что-то невероятное!
Начать хотя бы с того, что у них оказался… дробный электрический заряд. Еще школьный учитель объяснил нам, что элементарная частица — носительница электрического заряда — сохраняет его при любых, самых чудовищных воздействиях. При этом учитель говорил, что существует наименьшая из возможных «порция» электричества — заряд электрона.
Непонятное с дробностью заряда… Но и это еще цветочки по сравнению с загадкой массы тройки странных частиц. Она у них огромна — раз в десять тяжелее протона, общепризнанного чемпиона тяжелого веса микромира. Дальше… Тяжелое порождает легкое. Странные сверхтяжелые частицы преобразуются в частицы несравненно более легкие. При этом не менее 97 процентов первоначальной массы (а значит, и энергии) должно переходить в другое состояние материи. При термоядерных процессах на Солнце подобный переход не превышает 0,7 процента.
Три странные гипотетические частицы были названы кварками. «Кошмары» и «безумства» трех странных частиц напомнили М. Гелл-Манну безумного трактирщика-короля, героя романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». В этом произведении, преследуя трактирщика-короля, чайки-судьи кричат пронзительно, загадочно и страшно: «Три кварка мистеру Марку… Три кварка, три кварка…»
Оказалось, что гипотетические кварки не только «цементируют» таблицу элементарных частиц, но (пока теоретически) являются теми материальными частицами, которые как бы придают устойчивость, стабильность окружающему нас миру. Например, именно из кварка и антикварка можно получить элементарные частицы мезоны, обеспечивающие стабильность атомного ядра. И не только мезоны, но и все известные долгоживущие тяжелые элементарные частицы. Если к этому вы еще узнаете, что кварки позволяют объяснить происхождение магнитного поля элементарных частиц, то вы согласитесь с мнением ученых, считающих кварки элементарными «кирпичиками» мироздания. Видимо, именно они призваны наводить определенную гармонию и устойчивость в хаосе микромира.
Правда, еще никто не видел своими глазами (точнее, глазами своих приборов) кварки. И это как раз неудивительно. Сверхтяжелые кварки не могут быть получены даже на самых сильных ускорителях, из тех, которыми располагают люди. Даже космические лучи в своем подавляющем большинстве не обладают достаточной энергией, чтобы при столкновении с атомами в верхних слоях атмосферы порождать кварки.
Ученые не сидят сложа руки. Предложен целый ряд способов, позволяющих (как думают их авторы) поймать неуловимые кварки. В помощь физикам включаются океанологи, геологи, геохимики, химики, биологи. Есть даже сообщения о регистрациях сверхмощных «всплесков», которые не могли бы получиться от элементарных частиц, не имеющих такой большой массы и энергии, как у кварков. Эти сообщения еще требуют проверки.
Как же так, с одной стороны, многие серьезные данные подтверждают наличие в природе кварков, а с другой стороны — их никак не могут найти? Видимо, кварки, в отличие от частиц типа барионов, мезонов или лептонов, не могут находиться в свободном состоянии.
И все же на сегодняшний день, по мнению некоторых ученых, «уверенно доказано» существование кварков уже четырех типов, или, как выражаются физики-теоретики, четырех ароматов.
Причем каждый кварк не только располагает своим ароматом, но и своим антикварком. Но и это не все, ибо все кварки могут иметь три разновидности по некоторому квантовому числу, условно названному цветом (красным, желтым или синим).
Так, три кварка, образующие барион, обязательно имеют три разных цвета, в результате чего барион является «бесцветным». Общее количество кварков и антикварков уже достигло 36, и многое говорит о том, что число частиц в кварковой модели вещества будет возрастать.
В последние полтора десятка лет выяснилось (сперва теоретически, затем в экспериментах на все более мощных ускорителях), что в микромире существует свой внутренний четкий порядок. Он, в частности, выражен в строгой симметрии, частичное познание которой фактически привело к современной кварковой модели строения элементарных частиц. В современной науке пока нет какой-либо другой убедительной концепции, противостоящей гипотезе об образовании вещества из кварков.
Предполагается участие кварков в солнечных процессах. Вспомним, что является источником энергии Солнца? Если на этот вопрос ответить кратко, то термоядерные реакции в недрах Солнца, в ходе которых происходит синтез гелия из водорода с выделением энергии.
Подробное изучение этого вопроса позволяет выделить несколько типов солнечных термоядерных реакций. Основная часть энергии — порядка 98 процентов — получается от водородного цикла, а 2 процента дает углеродно-азотный цикл.
Р. Дэвис-младший, сотрудник Брукхейвенской национальной лаборатории (США), работая в специальном помещении, расположенном в глубокой золотоносной шахте, производил длительные измерения потока солнечных нейтрино, которые, кстати, испускаются на промежуточных стадиях солнечных термоядерных реакций и легко проходят через верхние слои Солнца.
Полученные Р. Дэвисом результаты озадачили физиков-теоретиков: поток солнечных нейтрино оказался в 4 раза меньшим, чем предсказывалось. В чем дело?
В 1983 году ученые из университета штата Огайо предложили новую схему реакции синтеза гелия, которая позволяла разрешить возникшую проблему. Они предположили, что в центральной части Солнца существуют экзотические атомные ядра с дробным электрическим зарядом.
Согласно созданной в последние десятилетия вполне утвердившейся теории квантовой хромодинамики отвергается возможность существования кварков в свободном виде: они могут находиться только в связанном состоянии.
Итак, сильно взаимодействующие частицы состоят из наиболее элементарных — кварков. Они, в свою очередь, объединяются в тройки (протон, нейтрон и другие барионы) или в пары (мезоны). Здесь силы между кварками действуют так, что другие комбинации не возникают. Не существует и одиночных кварков.
Американские физики из Огайо считают, что на Солнце ядра с дробным зарядом служат катализатором в ранее неизвестном цикле нуклеосинтеза гелия. Таким образом, получаемая «недохватка» нейтрино от теоретически предполагаемого уровня, возможно, происходит оттого, что солнечные температуры в зонах излучения нейтрино также несколько меньше предполагаемых. Наблюдения показали, что и температура и потоки нейтрино меньше в 4 раза. Поскольку снижение температур не ведет к уменьшению потока солнечной радиации (а снижение должно бы было достигать 22 процентов), то вполне вероятно существование реакции нуклеосинтеза гелия. При этом ядра с дробными зарядами как раз и являются катализаторами для захвата свободных протонов. При этом необходимым исходным материалом для цикла синтеза служат «кварковые» ядра гелия, то есть ядра, состоящие из двух протонов, двух нейтронов и кварка. Заряд такого ядра равен 22/3. В результате хода синтеза образуются обычное ядро гелия и «кварковое» ядро гелия, затем цикл повторяется.