Охота за кварками

Вот что об этом пишет известный английский физик Ф. Хейне: «То, что я называю компьютерным экспериментом, имеет, на мой взгляд, чрезвычайное значение.

Краеугольным камнем научного подхода является создание в эксперименте управляемой ситуации, позволяющей сконцентрироваться на одних явлениях и исключить другие. Так, если мы собираемся провести научное исследование процесса коррозии, го мы не выбрасываем за окно кусок железа, чтобы посмотреть, что с ним будет, но выращиваем монокристалл с тщательно подготовленной поверхностью в ультравысоком вакууме, чтобы избежать всяких неконтролируемых загрязнений. Отсюда всего один шаг до того, чтобы «построить» кристалл железа на ЭВМ и следить с ее помощью за тем, как он взаимодействует с молекулой кислорода».

Численный эксперимент, или машинное моделирование (говорят также об имитации), этот подход, использующий силу электронного разума, уже дал много интересных результатов Один из них был даже увенчан Нобелевской премией. И теперь карта физики, где прежде значились лишь два континента — Теория и Эксперимент, — изменила свои вид. Из пучин микроэлектроники возникла еще одна твердь — Вычислительная физика.

Что, может быть, эта новация решит все проблемы?

Нет, решительно отвечают в одной из статей сотрудники ФИАНа И. Мазин и Е. Максимов. Ратуя за скорейший приход ЭВМ в физику, они. вынуждены признать, что заменить собой истинный эксперимент и настоящую теорию вычислительная физика все же не сможет. «Любое исследование на ЭВМ процессов излучения абсолютно черного тела, — пишут они в статье, — не может привести к открытию планковского распределения, если предварительно в машину не ввести законы квантовой механики. Точно так же постоянство скорости света само по себе не возникает в машинных экспериментах, если не использовать при этом законов теории относительности. Иными словами, что в ЭВМ заложишь, то и получишь».

Тут, правда, можно было бы заспорить. Мощь электронного разума стремительно растет. Уже на подходе пятое поколение ЭВМ — машин «говорящих», «видящих», логически «мыслящих». Не появятся ли тогда еще и физики… электронные? Системы, которые сольют теорию и эксперимент в единое целое? Но это мечты о будущем. Ну а пока?

Пока авторитеты — в споре об экспериментах активных и пассивных предлагают всячески интенсифицировать теоретические исследования, тратя все больше усилий на обработку и упорядочение ранее полученной экспериментальной информации, на ее всесторонний анализ.

И все же призыв заменить дорогостоящие ускорители «серым мозговым веществом», больше концептуально мыслить, предвосхищая законы природы и не выходя за стены кабинета, не накапливать новые факты с помощью ускорителей или иных недешевых средств, а обходиться более искусным использованием «теории, веревочек и сургуча» — эти призывы кажутся довольно неубедительными. Десятилетия застоя в изучении гравитации показывают, что может произойти даже с самым интересным предметом без давления новых фактов.

Новые ускорители строить необходимо, но делать это становится все труднее. Построенный в 1931 году первый циклический ускоритель имел диаметр всего лишь 25 сантиметров (он разгонял протоны до энергии в 1 МэВ), а ныне уже изучается проект установки (Desertron, США) с длиной окружности в 100 километров!

(Понятно, будь у физиков-экспериментаторов какой-то другой способ изучать кварки и другие элементарные частицы без гигантских ускорителей, массивных детекторов, больших ЭВМ, они предпочли бы его. К сожалению, иные пути неизвестны.)

С увеличением размеров и стоимости ускорители сначала были доступны только специальным национальным лабораториям, а затем лишь международным центрам исследований. И в настоящее время имеется лишь три региона, где исследования в области физики высоких энергий ведутся наиболее активно: СССР, США и Западная Европа (ЦЕРН в Женеве и ДЕЗИ в Гамбурге). Физики, ведущие эксперименты в разных странах, хотели бы уменьшить дублирование работ, создать в этой области «разделение труда», ввести «паевой» стиль исследований.

Предполагалось, что к концу этого века должна быть создана единственная Всемирная лаборатория, в которой будут представлены физики всего мира. Однако для этого необходима благоприятная международная политическая ситуация.

Белая ворона микромира

Есть два пути изучения внутренней структуры элементарных частиц: увеличивать энергию ускорителей, строить машины все более огромные, и второй путь — увеличивать точность опытов при уже достигнутых на старых ускорителях низких энергиях (следуя этой тропой, физики в Протвиие недавно открыли еще две элементарные частицы — аш- и эр-мезоны).

Что предпочесть? Конечно же, первое: так считает большинство физиков. И эта стратегия себя прекрасно оправдывает. В последние десятилетня все самые важные открытия в физике высоких энергий были сделаны с помощью ускорителей, мощь которых непрерывно росла.

Ждут физики и еще большего.

Энергия проектируемого нового ускорителя в Протвине — ТэВ'ы. Казалось бы, глупо спрашивать, почему выбраны такие величины: по дороге в неизведанное сюрпризы могут подстерегать исследователя на любом километре! Удивительно, однако, что физики знают, чего хотят. И ТэВ'ы выбраны не случайно. Именно за этим порогом может проясниться природа слабых взаимодействий.

Если рассуждать совсем грубо, то при энергиях, равных ТэВ'ам, физики хотят узнать, какая из цифр — тройка или четверка — более близка микромиру. Если точнее: трехчастична или же четырехчастична природа элементарных взаимодействий?

Уже давно (Э. Ферми, 1934 год) теория слабых взаимодействий формулировалась как взаимодействие с участием четырех частиц: так нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Поразительно, что все другие взаимодействия исключительно трехчастичные.

Тот же нейтрон, например, испуская пи-мезон, превращается сильным взаимодействием в протон. Вот и получается, что но ряду свойств слабые взаимодействия в микромире можно считать белой вороной.

Лет тридцать физики пытаются свести четырехчастичные слабые взаимодействия к трехчастичному, например, электромагнитному. Для этого предположили, что слабое взаимодействие на деле идет в два этапа. Вначале нейтрон испускает протон и некоторую гипотетическую частицу (первое трехчастичное взаимодействие). А промежуточная частица уже затем распадается на электрон и антинейтрино (второе трехчастичпое взаимодействие).

Несмотря на упорнейшие поиски, этого посредника никак не могли обнаружить. Но идея унификации типов взаимодействий столь привлекательна, что на всех ускорителях вновь и вновь ставились эксперименты по его поиску.

Так вот, энергии в несколько ТэВ — это как раз та предельная область, для которой имеет смысл идея промежуточной частицы и ее поиски. И тут эксперименты на новом синхротроне в Протвине должны были бы стать решающими.

Итак, физики-экспериментаторы вновь вышли на тропу охотников. Теперь они хотят отловить так называемые промежуточные векторные бозоны — так позднее стали называть то, что никак не могли обнаружить. Эти гипотетические частицы (есть среди них заряженные W+ = и Wn~ бозоны, есть и нейтральный — Z°) переносят слабое взаимодействие так же, как, скажем, глюоны, переносчики цвета, — кварковое, сильное взаимодействие.

Почему изловить новый тип бозонов трудно? Потому что масса у них огромная — примерно под сотню ГэВ, почти в 100 раз больше, чем у протона. А для рождения частиц с большой массой как раз и нужны ускорители с достаточно высокой энергией частиц-снарядов.

Ныне выслеживание W- и Z-бозонов подошло, видно, к кульминации. То и дело (1983–1984 годы) в специальной и популярной печати появлялись статьи с броскими заголовками: «Погоня за бозонами», «W-бозон обнаружен!», «Как поймали бозон»… Физики-экспериментаторы вертятся, как кот вокруг горшка с гречневой кашей. Одна группа сообщила, что по косвенным признакам она-де обнаружила 4 события, спровоцированные W-бозонами. Другая спешно публикует отчет о поимке 6 бозонов.