Вселенная в электроне

Сегодня, пожалуй, наиболее точный метод поиска кварков основан на том, что, блуждая в веществе, кварки с отрицательным электрическим зарядом будут прилипать к положительно заряженным атомным ядрам. Образуются «кварковые атомы», которые по своим свойствам несколько отличаются от обычных атомов. Этим можно воспользоваться для концентрирования и выделения «кваркового вещества».

Метод напоминает старый студенческий анекдот о том, как поймать льва в пустыне Сахара: надо растворить весь сахар в воде, тогда лев выпадет в осадок!

Были исследованы железные метеориты, различные минералы, морская вода, выбросы вулканов во время их извержений, лунный грунт и прочее. Были исследованы все экзотические уголки, до которых могли только добраться фантазия и руки физиков. Измерения были настолько точными, что если бы в десяти кубометрах воды (по объему это хотя и не целая Сахара, но весьма приличная цистерна!) содержались всего один-два кварка, то они были бы обнаружены. Точность фантастическая! Если бы такие возможности имели золотоискатели, они смогли бы легко обнаружить крупинку золота в песчаной горе размером с десяток Эверестов и даже больше.

И тем не менее все опыты оказались неудачными — кварков не обнаружили.

Это можно было бы понять, если допустить, что кварки не просто очень тяжелые, а чрезвычайно тяжелые частицы. Дело в том, что когда частицы «выкристаллизовывались» из первичного аморфного вещества юной Вселенной, тяжелым частицам это давалось труднее, первыми и в большем количестве «выпадали в осадок» легкие частички. (Мы опять несколько забегаем вперед, об этом пойдет речь в следующей главе, но что делать, многие разделы физики переплетаются и их нельзя расположить «голова в голову»!) Поэтому чем больше масса кварка, тем меньше их блуждает сегодня вокруг нас. В своих расчетах теоретики предполагали, что кварк в пять — десять раз тяжелее протона, а для того чтобы объяснить отрицательный результат опытов, необходимо допустить, что масса кварка в миллиарды миллиардов раз больше. Кажется невероятным, чтобы часть протона, его долька, весила в миллиарды миллиардов раз больше его самого, — гора Казбек внутри горошины!

Сегодня большинство физиков считает, что свободных, изолированных кварков в природе вообще нет. Кварки наглухо «заперты» внутри элементарных частиц, и никакими силами выбить их оттуда нельзя. Советский физик Я. Б. Зельдович одним из первых пришел к выводу, что в мире действует какой-то закон, который строго-настрого запрещает вылет кварков из адронов.

Но из чего же тогда сделаны «стенки» адрона, если ни один снаряд, даже самый высокоэнергетический, не может их разрушить?

Пленники резиновой «тюрьмы»

Опыты по зондированию нуклона доказали, что в центре элементарной частицы кварки почти не связаны взаимодействием и ведут себя как плавающие в воздухе надувные шарики. Если же кварки пытаются разойтись, то сразу же возникают стягивающие их силы. Другими словами, как самостоятельные частицы, кварки и антикварки существуют лишь в глубине элементарных частиц, а на их периферии кварки могут находиться лишь в форме связанных сгустков — например, в виде пи-мезонов.

Интересно получается: в атомах и в их ядрах сильнее всего связаны внутренние наиболее плотные слои, а вот кварковый каркас элементарных частиц, наоборот, наиболее жестко и крепко сцементирован на периферии. Недаром физики шутят о «центральной свободе» и «периферическом рабстве» кварков, а английский термин «кварковый конфайнмент» — буквально: «пленение кварков», «кварковая тюрьма» — встречается на страницах самых серьезных научных статей!

Хотя ни один снаряд не может расколоть адронные «орешки», было бы неверным считать, что их стенки тверды, как танковая броня или железобетонный колпак дота. Сквозь эти стенки глубоко внутрь протона и нейтрона проникают пучки зондирующих электронов, их пронизывают насквозь фотоны и нейтрино. И в то же время их не может преодолеть ни один внутренний кварк.

С первого взгляда неясно даже, как связать такие, казалось бы, несовместимые, взаимоисключающие особенности кваркового строения частиц. Тем не менее их можно понять с помощью весьма простой модели. Представим себе, что между кварками натянуто что-то вроде резиновых нитей. Когда кварки близко один от другого, нити провисают, и кварки чувствуют себя свободными — резинки не мешают их движению. Но как только кварки расходятся, нити натягиваются, и тем сильнее, чем больше расстояние между их концами. Кварки сразу оказываются спутанными «по рукам и ногам».

В старой вьетнамской сказке рассказывается о страшной змее, которую не смог убить ни один воин. У нее вместо хвоста была еще одна голова, а когда змею рассекали мечом, на месте разреза мгновенно вырастали новые головы, и вместо одной змеи к сражению были готовы уже две. Мезон похож на такую двухголовую змею, а нуклон — на клубок из трех змей. Если в один из кварков, находящихся внутри мезона, «выстрелить» быстрым электроном, этот кварк получит большой импульс и отскочит. Но его движение будет продолжаться лишь до тех пор, пока натяжение удерживающих резиновых нитей не возрастет настолько, что их энергии станет достаточно для рождения новой пары кварков. Не выдержавшая напряжения нить рвется, в точке разрыва выделяется накопившаяся энергия, и рождаются два кварка, точнее, кварк и антикварк с противоположными зарядами. (Сохранение электрического заряда — такой же строгий закон природы, как и закон сохранения энергии.) Антикварк и выбитый электроном кварк «слипнутся» и образуют мезон, а оставшийся кварк займет внутри частицы место выбитого кварка. И в результате все будет выглядеть так, как будто кварк остался на месте, и одновременно за счет энергии растянувшего нить электрона родился мезон — был один мезон, стало два!

Похожим образом ведет себя и нуклон. Каждый раз, когда пытаются выбить из него кварк, рождается новый мезон, а нуклон остается невредимым.

Теперь должно стать понятным, почему не удается расколоть нуклон на три кварка: сколько по нему ни бей, из него всякий раз будут вылетать целые частицы — адроны, а не их осколки — кварки и антикварки!

Модель резиновых нитей самая простая, но не единственная, используемая физиками для описания кваркового строения элементарных частиц. Есть еще модель пузыря с упругими, эластичными стенками, которым не дает сжаться давление кваркового газа. Правда, газовых частиц в таком пузыре всего лишь две или три, и говорить о газе здесь можно лишь с большой долей условности. В научных статьях эту модель часто называют также «кварковым мешком». Физики, которые ее разрабатывают, получили шутливое прозвище «мешочников». Есть и другие модели.

Конечно, все они представляют собой очень упрощенное, сильно усредненное описание реального положения дел. Мы еще только прикоснулись к кварковым явлениям. Пока это клубок противоречивых гипотез и фактов. Нечто похожее в физике уже было, когда создавалась теория атома. Тогда тоже было много различных наглядных моделей, с помощью которых ученые пытались если не объяснить, то хотя бы привести в систему новые факты. Физикам придется еще много потрудиться, чтобы превратить кварковые модели в такую же строгую теорию, какой является сегодня теория атома.

И первый вопрос, который здесь возникает: почему межкварковые силы не похожи на все другие? Электромагнитное взаимодействие, сила тяжести, мезонный бадминтон нуклонов — все они уменьшаются с увеличением расстояния. Вспомним закон Кулона или закон всемирного тяготения Ньютона: сила обратно пропорциональна квадрату расстояния. Расстояние увеличивается вдвое, сила уменьшается вчетверо. Ядерные силы уменьшаются еще быстрее. Такое поведение сил вполне понятно — чем дальше частицы, тем слабее они действуют друг на друга. А вот кварки почему-то предпочитают взаимодействовать издалека. Из чего же состоит «резиновый клей», стягивающий их в адронные капли?