Вселенная в электроне

А когда параметры частицы определены, в игру вступает эксперимент. Бывает, что в рассчитанном месте частицу не находят, и теоретикам снова приходится садиться за расчеты: уточнять симметрию, вычислять новые мультиплеты, прикидывать, какой, легкой или тяжелой, должна быть частица, определять реакции, в которых вероятнее всего ее присутствие. Не зря говорят, что теоретик работает в основном на мусорную корзинку! Прежде чем будет получен результат, ему приходится опробовать и сопоставить кучу вариантов.

Теория в современной физике занимает исключительное место. Она строит мосты между островками разрозненных экспериментальных фактов и, выдвигая гипотезы, позволяет далеко уходить от них в область неизвестного.

Подведем итоги

Подсчитаем, сколько же теперь, после всех слияний и объединений, осталось у нас частиц.

Для построения адронов нужны три частицы: кварк, антикварк и глюон. Добавив к ним электрон, позитрон и фотон, построим все атомы (позитрон нужен, чтобы построить антивещество). Два тяжелых лептона и три нейтрино нужны для объяснения распадов частиц. Наконец, чтобы слить атомы в большие макроскопические тела, требуется еще квант поля тяготения — гравитон.

Итак, семь частиц-кирпичиков, столько же «антикирпичиков» и три склеивающих частички. Весь мир из семнадцати частиц!

В электрослабой теории число склеивающих частиц остается неизменным, так как три тяжелых брата-мезона и фотон — одна семья — частица. Зато число кирпичиков сокращается: электрон и нейтрино рассматриваются, как два состояния одной и той же частицы, то же для мю- и тау-мезонов. Вместо шести лептонов стало три. Однако для внутренней согласованности теории пришлось допустить, что в природе существует еще один тип частиц — несколько напоминающих пи-мезон, но подобно глюонам обладающих свойствами саморазмножения и самосклеивания. Их называют хиггсонами, по имени английского теоретика П. Хиггса, который первым начал изучать их свойства. Хотя хиггсоны еще не обнаружены на опыте, большинство физиков не сомневается в их существовании. В следующей главе мы увидим, что они играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной, и это еще больше повышает интерес к этим частицам.

В целом число частиц сократилось на пять единиц — с семнадцати до двенадцати.

Объединение электрослабого и сильного взаимодействий уменьшило число частиц до семи. Остались кварк (лучше сказать, лептокварк), антикварк, увеличивший число своих состояний глюон, гравитон и несколько (скорее всего, три) хиггсонов.

Если не считать хиггсовых частиц, число которых пока еще зависит от конкретного варианта теории, то после «великого объединения» всех четырех типов взаимодействий остаются только три частицы: частица-кирпичик, соответствующий ей «антикирпичик» и частица-волан.

Казалось бы, наконец-таки физика достигла самого дна природы: объединены все силы, число частиц сокращено до предела, создана и шлифуется единая теория. Природа, однако, любит сюрпризы. Внутри новой теории физики неожиданно обнаружили мину, готовую вдребезги разнести все надежды на построение «последней теории всех сил и взаимодействий».

Физические теории обладают замечательным свойством: их математические формулы не просто описывают опыт, а являются его обобщением, и поэтому их содержание всегда значительно богаче исходных экспериментальных данных. Они предсказывают новые факты и часто приводят к выводам, которые их создатели не ожидали. Так случилось и в этот раз. Из формул теории следует, что лептоны и кварки, по-видимому, состоят из еще более мелких «зернышек».

Час от часу не легче! Значит, опять новые частицы и новые виды взаимодействий? И все пошло по новому кругу?

Пока можно говорить лишь об идее. Свойства и число «зернышек» не известны, они изменяются от одного варианта теории к другому. Даже общепринятого названия у «зернышек» еще нет. Часть физиков использует приставку «пре» и называет их «прекварками», другие ученые говорят о пракварках (вспомним слова «прабабушка», «прадедушка»), а некоторые предпочитают словечко «преоны». Есть и другие названия.

Прачастиц, по-видимому, два или три семейства, каждое из которых состоит из нескольких «прасестер» и «прабратьев». Известно несколько наборов таких «мозаик», и пока не ясно, какому из них следует отдать предпочтение.

После надежд на построение единой всеобъемлющей теории результат весьма неожиданный и обескураживающий…

Впрочем, неожиданным он кажется лишь с первого взгляда. Если посмотреть внимательнее, то, напротив, он выглядит вполне естественным. Уж очень сложными стали семейства кварков и глюонов! Трудно поверить, что «самые элементарные» частицы характеризуются столь большим числом параметров. История науки говорит, что каждый раз, когда элементарный объект становился слишком сложным, в нем обязательно находили более простые составляющие. Так было с атомом, с его ядром, с элементарными частицами. Физика ступала на следующую ступень структурной лестницы, и картина упрощалась. По-видимому, это повторяется и в случае кварков. Простейшими их можно назвать лишь условно. У них целый гардероб «платьев», «пальто» и «шуб». Их простота подобна кажущейся простоте часов, которые мы носим на руке, — металлический кружок с двумя стрелками, только и всего, а если покопаться…

Салам и Пати первыми заметили, что параметры всех двадцати четырех членов кварк-глюонного семейства можно получить сложением трех преонов. Теперь и теория «великого объединения» подсказывает, что частица-кирпичик, а вместе с ней и склеивающая частица-волан являются составными. Число самых простейших снова стало расти.

Где же конец?

Прежде чем ответить на этот вопрос, выясним, каких наименьших расстояний может достичь эксперимент в ближайшем и отдаленном будущем. И вообще, делятся ли расстояния до бесконечности на все меньшие и меньшие или же, может быть, в природе существуют какие-то первичные «атомы» пространства, дальше которых уже больше ничего нет? Ведь есть же минимальные порции энергии — кванты, почему же не может быть геометрических квантов — атомов пространства и времени?

Как мы уже знаем, размеры протона и других адронов — 10^-13 сантиметров, то есть около триллионной доли миллиметра. Самые маленькие пространственные интервалы, которые можно сегодня исследовать с помощью ускорителей частиц, в тысячу раз мельче. Для этого сталкивают два пучка частиц — один навстречу другому. Энергия относительного движения разогнанных навстречу друг другу частиц так велика, что размазка их траекторий из-за волнового дрожания меньше 10^-16 сантиметров. По сравнению с протоном такие расстояния все равно что маковое зернышко рядом с футбольным мячом.

Конечно, для этого не строят двух ускорителей, «бьющих» пучком протонов в лоб друг другу. Делают по-другому. Ускоренные протоны, порция за порцией, «закачивают» в окруженное магнитным полем вакуумированное кольцо. Сильное магнитное поле загибает траектории частиц и удерживает их на круговой орбите. А когда частиц в кольце накопится достаточно много, поле выключают, и пучок частиц «выстреливает» навстречу основному пучку из ускорителя. Иногда «накачивают» сразу два кольца, которые разряжаются протонным зарядом навстречу друг другу.

В недалеком будущем на этом пути удастся достичь расстояний порядка 10^-17 сантиметров, то есть в десять тысяч раз меньше протона. В Советском Союзе и в других странах проектируются и уже создаются необходимые для этого ускорители. Но это, по-видимому, близко уже к пределу. Современные ускорители — циклопические установки стоимостью в сотни миллионов и даже в миллиарды рублей, а дальнейшее углубление в микромир требует просто фантастических сооружений. Чувствуется, что здесь нужны какие-то принципиально новые физические идеи.