Кварки, протоны, Вселенная

Так вот, нейтрино и другие слабовзаимодействующие электроноподобные частицы нельзя построить из кварков. Они составляют совершенно особое, изолированное семейство. Это частицы-точки, их размеры по крайней мере в тысячу раз меньше, чем у сильновзаимодействующих частиц. Физики называют их лептонами, а все сильновзаимодействующие частицы — адронами.

Названия эти происходят от греческих слов «легкий» и «тяжелый». Они возникли, когда физики еще не знали частиц тау и эпсилон. Электрон и мю-мезон, не говоря уже о нейтрино, действительно легче всех сильновзаимодействующих частиц. Но как можно назвать легким недавно открытый эпсилон-мезон, который весит столько же, сколько ядро бора,— в десять раз больше протона! Названия «лептон» и «адрон» сделались уже чисто условными, фактически синонимами эпитетов «слабо-» и «сильновзаимодействующий». Но такова уж сила привычки — физикам трудно отказаться от прочно вошедших в язык терминов.

Итак, все окружающее нас вещество можно скомпоновать всего из трех «кирпичей»: электрона, кварка и антикварка. Кроме того, требуются еще три безмассовые частицы: глюон, фотон и гравитон, то есть кванты склеивающих полей — межкваркового, электромагнитного и гравитационного (поля тяготения). Кварк и антикварк нужны, чтобы с помощью глюонного «клея» слепить протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра, и связывающие их пи-мезоны; электроны — чтобы с помощью электромагнитных сил построить атомы и молекулы. Эти же силы объединяют различные вещества в жидкости и твердые тела. Гравитация же нужна для образования космических объектов — планет, звезд, галактик и самой Вселенной.

Рассуждая таким образом, мы чувствуем, что все остальные частицы просто лишние. А их сотни — мезоны различных типов, гипероны и так далее. Да и в самом деле, зачем они, если без них можно обойтись?

Однажды мой сосед, бухгалтер, стал налаживать свой телевизор. Экран вскоре засветился, а сосед с гордостью продемонстрировал мне кучку ненужных, по его словам, сопротивлений и конденсаторов. Правда, через несколько минут что-то заискрило, запахло горелым, а механик из радиомастерской потом удивлялся, как у нас вообще квартира не сгорела.

То же с частицами. У природы нет лишних деталей. Если назначение некоторых из них остается неясным, это свидетельствует лишь о низком уровне наших знаний, а отнюдь не о склонности природы к излишествам. И серьезные исследования обычно это подтверждают.

С тех пор как теоретики выдумали кварки, прошло 20 лет. И хотя эти удивительные частицы еще никому не удалось наблюдать в «живом виде», они помогли объяснить так много экспериментальных данных, что физику сейчас просто невозможно обойтись без них. По мнению большинства ученых, если кварков как реальных объектов и не существует в природе, то это само по себе было бы поразительной, величайшей загадкой.

Знаменитый французский математик Анри Пуанкаре как-то заметил, что всякой истине суждено одно мгновение торжества между бесконечностью, когда ее считают неверной, и бесконечностью, когда она становится тривиальной. И хотя к кваркам успели уже привыкнуть, до тривиальности здесь еще далеко. Кварки во многом еще таинственны, не похожи ни на что. Взять хотя бы их электрический заряд: ведь если протон, заряд которого равен единице, состоит из трех кварков, значит, у этих кварков заряды дробные? А до сих пор считалось непреложным законом — и об этом написано во всех учебниках,— что самый маленький электрический заряд у протона и электрона и равен он не дроби, а целому числу. Принимался он всегда за единицу — положительную и отрицательную. И вот теперь выясняется, что заряды у кварков еще меньше: они составляют одну и две трети заряда протона.

В древнегреческих мифах рассказывается о кентаврах— полулюдях-полулошадях. Таким вот кентавром среди элементарных частиц и выглядит кварк. У него не только дробный электрический заряд — он еще по своим свойствам должен одновременно считаться нуклоном, мезоном и гипероном! Всем сразу. С таким необычным, противоречивым объектом физики еще не встречались. Чтобы описать его сложные свойства, сначала предположили, что он имеет три состояния. Вскоре, однако, были открыты новые типы элементарных частиц — так называемые прелестные и очарованные частицы,— пришлось ввести в обиход еще два кирпичика-кварка. Теоретики убеждены, что должен существовать еще и шестой кварк. Недавно получены экспериментальные доказательства этой гипотезы. Может быть, список кварковых состояний этим не исчерпывается.

Хороша «самая простая», «суперэлементарная» частица, не правда ли? Целое семейство из шести братьев-компонентов, а то и больше!

Но и этого мало. Когда мы строим частицы из кварков, нельзя размещать их внутри частиц произвольно. Для них, как для зрителей в театре, отведены вполне определенные, строго пронумерованные «квантовые места». И вот выяснилось, что внутри некоторых частиц билет с одним и тем же номером получают сразу несколько кварков. Чтобы восстановить порядок, физикам пришлось допустить, что кресел в зале вполне достаточно, но они различаются не только своими номерами, а и цветом: под одним и тем же номером значатся кресла трех цветов — синие, красные и зеленые. Соответственно и билеты пришлось покрасить в три цвета, то есть допустить, что каждое из шести состояний кварка делится еще на три. Так возникла выдвинутая советскими и японскими физиками гипотеза о цветных кварках.

Конечно, никакого цвета в обычном понимании этого слова у кварков нет. Ведь цвет — это свойство тела, зависящее от того, какую часть спектра падающего на него света тело поглощает, а какую рассеивает.

Кварк только рассеивает свет, поглощать его он не может, так как для этого он должен был бы быть не простейшим кирпичиком, а системой со сложной структурой (с электронными уровнями), на возбуждение которой и пошла бы энергия поглощенного света. «Цвет кварка» — это только удобный термин, такой же, как «странность», «очарование» или «прелесть», которыми физики обозначают определенные свойства частиц. В последнее время стало общепринятым говорить еще и об «аромате» кварка — так называют все его параметры, не зависящие от «цвета». Физики предпочитают пользоваться необычными названиями — они легко запоминаются! Хотя, спору нет, выражения вроде «аромат прелестного кварка» или «опыт по измерению очарования» звучат для непривычного уха более чем странно.

Давайте подсчитаем теперь, сколько же осталось самых элементарных», не сводимых друг к другу частиц.

Прежде всего это кварк и антикварк плюс связывающая их частица глюон. Ее название происходит от английского слова glue — клей. Глюонное поле связывает кварки и антикварки, подобно тому, как электромагнитное поле и его кванты — фотоны — «привязывают» электроны к ядру в атоме. Хотя глюоны тоже еще никогда не наблюдались в «живом виде», без них нельзя построить адронов. В список «самых элементарных» придется также включить упомянутый фотон и опять же не наблюдавшуюся еще частицу поля тяготения — гравитон. Еще семь лептонов — электрон, нейтрино трех типов, мю- и тау-мезоны и соответствующие антилептоны.

Итак, вместо нескольких сотен — всего лишь два десятка основных элементов. При этом почти треть их еще экспериментально не открыта. Однако без них не удается построить последовательной теории — она рассыпается. Но, с другой стороны, и два десятка, а точнее 19 «самых элементарных»,— это многовато. И почему, собственно, 19, а не 14 или, скажем, не 27? Невольно возникает подозрение, что эти «первоэлементы» не все независимы и число их, наверное, можно еще уменьшить.

Правда, на первый взгляд это просто невозможно — уж очень сильно различаются по своим свойствам эти девятнадцать. Например, электрон — это частица, которая может иметь любую скорость, быть и быстрой, и медленной, а вот фотон или нейтрино всегда летят с скоростью света. Массы частиц и силы, с которыми он взаимодействуют, различаются в сотни и тысячи раз; Казалось бы, ничего общего.