Вселенная в электроне

«Глюонный клей»

Для физика такое заглавие звучит как «масляное масло», потому что слово «глюон» уже само происходит от английского «глу» — клей. Придумал частички-глюоны все тот же Ричард Фейнман. Он отвел им роль воланчиков в бадминтоне партонов — кварков. Другого способа организовать взаимодействие физика не знает. Ведь если частицы взаимодействуют, между ними должно что-то передаваться.

Глюоны очень похожи на частицы света — фотоны. У них тоже нет массы, и они движутся со скоростью света. Однако в отличие от зарядово-нейтральных фотонов, они «измазаны» зарядом. Фотон никакого нового электрического поля вокруг себя не создает. Наибольшую интенсивность поле имеет вблизи заряда — его источника, а далее оно постепенно рассеивается в пространстве и ослабевает. Глюон же своим собственным зарядом рождает новые глюоны, те, в свою очередь, — следующие и так далее. Происходит лавинообразное саморазмножение. Поэтому-то глюонное поле и не ослабевает, а, наоборот, возрастает при удалении от породившего его кварка. «Глюонный клей» напоминает тесто на дрожжах, его так же «распирает».

Если вернуться к наглядной картине бадминтона, то следует сказать, что отброшенный кварковой ракеткой глюон-воланчик сразу же начинает, как пеной, обрастать новыми глюонами, и в результате удаленные кварки обмениваются целыми комками воланчиков. Их связь становится более сильной. Это объясняет, почему «глюонный клей» обладает свойствами резины.

Каждый кварк утоплен в толстом комке глюонной резины. «Голыми», очищенными от клея, кварки становятся лишь в центре частицы. Зондирование центральных областей нуклона дало неожиданный результат: голые кварки — очень легкие объекты, их масса в сто раз меньше нуклонной. Оказывается, нуклон и другие элементарные частицы состоят в основном из глюонного клея. Шарики, наполненные глюонной «жидкостью», с маленьким пузырьком в центре!

Как и кварки, глюоны — вечные пленники. В лавинообразном образовании глюонной «пены» энергия начального глюона быстро делится на все более и более мелкие порции, и глюон «тает» — растворяется в комке рожденных им новых глюонов. Он не может уйти далеко от места своего рождения.

Тем не менее глюоны оставляют видимые следы. При столкновении с зондирующим электроном глюон иногда получает такой сильный толчок, что его энергии хватает не только на образование глюонной «пены», но и на рождение кварк-антикварковых пар. Эти пары сразу же слипаются в мезоны и вылетают в виде узкой, «кинжальной» струи частиц. Можно сказать, что получивший большой импульс глюон так резко тормозится на краю частицы, что его энергия струей «выплескивается» наружу. Узкие мезонные струи наблюдались во многих экспериментах.

Глюон — частица, изобретенная за письменным столом теоретика, однако сегодня нет сомнений в ее реальном существовании.

Аромат и цвет кварков

С тех пор как выдумали кварки, прошло уже четверть века, и их уже давно перестали считать «чепухой». Курьезный намек на это остался лишь в их названии. Для физика глюоны и кварки сегодня такие же привычные объекты, как атомы и молекулы.

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. Правда, кваркам до тривиальности еще далеко, они до сих пор преподносят сюрпризы.

Поначалу считали, что кварки имеют три состояния. Семейство трех братьев-близнецов. Фраза «Три кварка для мистера Марка» имела тогда прямой смысл. Два кварка нужны, чтобы построить нуклон и пи-мезон. Третий — для конструирования странных частиц. Вскоре, однако, были открыты «прелестные» и «очарованные» частицы, и для них пришлось ввести еще два кирпичика-кварка. А недавно был обнаружен шестой кварк. Эти три кварка значительно тяжелее своих собратьев, их масса больше нуклонной.

Теперь уже не три, а шесть кварков для мистера Марка! Чтобы различать, им присвоили номера — первый, второй и так далее. Однако это неудобно, поскольку все шесть кварков совершенно равноправны, и какой из них называть первым, а какой последним, зависит от конкретной задачи. Поэтому предложено считать, что все кварки обладают общим свойством — ароматом, но каждый из них пахнет по-своему. Шесть кварков — шесть запахов.

Конечно, кварк нельзя понюхать, и никакого аромата в обычном понимании у него нет. Это только удобный термин, такой же, как «странность», «очарование» или «прелесть», с помощью которых описывают определенные свойства частиц. Физики любят использовать необычные и поэтому легко запоминающиеся названия.

Иногда это приводит к забавным недоразумениям. Некоторое время мне пришлось работать в отделе, начальник которого весьма формально выполнял свои обязанности. Подчиненным это надоело, и вот однажды один из них среди прочего оборудования заказал пару оптических осей. (Оптическая ось, как известно, это — воображаемая линия, соединяющая фокусы линзы.) Наш начальник, по обыкновению, не глядя «подмахнул» заказ, а ответственный за поставку оборудования хозяйственник, доверяя авторитету нашего титулованного начальника, принял все за чистую монету. Понятно, что никаких оптических осей институт не получил.

— Мне предлагали, но толстоваты, отказался! — попытался вывернуться на отчетном собрании хитрец снабженец, но его слова утонули в громовом хохоте.

Не смеялся один начальник.

Ныне хозяйственник стал опытным, а лет двадцать — тридцать назад еще можно было выписать дефицитный растворитель для протирки тех же оптических осей или для смывания «ионных пятен» с экрана телевизора!

Испуская или поглощая глюон, кварк изменяет свой «цвет». Подобно снующим над цветами пчелам, глюоны «измазаны» пыльцой-зарядом. Сядет такая «пчела» на кварковый «цветок», и он сразу приобретает другой цвет, улетит — опять новый цвет, в зависимости от того, сколько и какой зарядовой «пыльцы» унесла глюонная «пчелка».

Кварковыи заряд «цвет» во многом похож на электрический. Он также может быть большим или маленьким, положительным или отрицательным (в последнем случае говорят, что цвет сменился антицветом). Но есть одно принципиальное отличие. Как бы ни изменялся электрический заряд, он всегда остается электрическим зарядом. Цветовой же заряд может изменить еще и свой цвет. Фактически это сразу три независимо изменяющихся заряда, которые к тому же могут еще и переходить один в другой. Цветные системы несравненно богаче по своим свойствам, чем электрические.

Попытайтесь представить себе, как изменился бы окружающий мир, если бы вдруг появились три типа электрических зарядов. Три сорта света и радиоволн, цветное электричество, разные типы атомов…

С открытием «цвета» микромир стал в наших глазах многограннее и ярче, но кварков теперь уже восемнадцать. Этот факт тоже начинает беспокоить — уж очень сложной становится «самая элементарная» частица. Видимо, в недрах микромира от нас скрыто еще что-то очень важное…

Упрямые лептоны

Есть еще одно беспокоящее обстоятельство. Кварки позволили навести порядок среди элементарных частиц, помогли понять, что творится внутри этих мельчайших капелек вещества. Однако лептоны остались в стороне — их нельзя «склеить» из кварков.

Три электронноподобных брата, e, π и τ с тремя собачками-нейтрино и шесть античастиц — три «антибрата» и три «антисобачки». Эти «упрямцы» стоят особняком от других элементарных частиц и не хотят иметь с ними дела — взаимодействуют слабо. Все они точечные, по крайней мере, раз в тысячу меньше остальных частиц. Такое впечатление, будто они сделаны из другого «теста»!

По размерам и по специфичности, выделенности своего поведения лептоны ближе к кваркам, чем к составным частицам — адронам. Ведь кварки тоже очень мелкие частички. Да и число лептонов — шесть — таково же, как число кварков в каждой цветной шеренге. Едва ли такое сходство случайно, в природе ничего не бывает «просто так»…