Охота за кварками

Тогда и можно рассчитывать на успех.

Подобно «гробу Магомета»

И физики немедленно впряглись в поиски. Работа велась одновременно во многих странах.

В США (Стэнфордский университет) группа исследователей измеряла заряды маленьких сверхпроводящих шариков диаметром около 0,1 миллиметра, заставляя их осциллировать, совершать колебания, в переменном электрическом поле. Величина осцилляции зависела от электрического заряда шарика. Это была рафинированная версия опыта Р. Милликена.

Американцы сообщили радостную весть. В прибор один за другим помещали 9 маленьких шариков из ниобия, на 3 из них исследователи нашли заряд, равный одной трети. Эти заряды можно было удалить, промывая шарики ацетоном. Заряд исчезал или появлялся и в результате электрического разряда. Похоже, кварки находились на поверхности шариков. Кварки наконец обнаружены?

Вряд ли. Достоверность этих результатов осталась под сомнением. Вполне возможно, что тут играли роль какие-то неучтенные особенности эксперимента. К примеру, шарики ведь должны быть абсолютно круглыми, симметричными не только по форме, но и по своему составу.

Иначе неоднородность сказалась бы на равновесии шарика, а значит, и его заряде. Но в том, что шарики круглы, можно убедиться с помощью микроскопа. Однородность же объемных свойств проверить уже гораздо труднее.

А она приводит к погрешностям в расчетах, что и может выглядеть как дробный заряд.

При суждении об опытах американцев настораживало и то, что попытки повторить их «успех» в аналогичных исследованиях, проводившиеся в других странах, потерпели неудачу.

В СССР поиски кварков схожим с милликеновским способом велись в МГУ под руководством академика Я. Зельдовича и профессора В. Брагинского. Исследовались частицы графита, весящие во многие тысячи раз больше больше вероятность встретить кварк! — чем капельки у Р. Милликена. В такой «махине», как рассчитали теоретики, кварки уже вполне можно было бы встретить (если, конечно, они есть в природе!).

Частица графита в экспериментах висела между полюсами электромагнита, поле которого создавало земную невесомость: неоднородность поля (его градиент) компенсировала силу земного притяжения. И графитовые крупинки оказывались подвешенными между пластинками конденсатора подобно левитирующему йогу, висящему в воздухе безо всяких опор.

Теперь на парящую в воздухе частицу направляли поток рентгеновских лучей, чтобы ее зарядить. Потом включали еще и электрическое поле.

Заряженная частица в электрическом поле должна немного сместиться. Это смещение и интересовало экспериментаторов. А гораздо больше их заботило, будет ли смещение соответствовать заряду ⅓ или заряду еще какого-нибудь числа с тройкой в знаменателе.

Дальше события развивались, как в добротной мелодраме. Недолгое счастье сменилось унынием. Вначале в серии из 17 измерений трижды наблюдались кваркоподобные смещения графитового тельца. То же повторилось и в видоизмененной серии опытов. И все же кварки тогда найдены не были.

Частица графита, висящая в магнитном поле, подобно легендарному гробу Магомета, обладала дипольным электрическим моментом. Его взаимодействие с неоднородным электрическим полем, смещающим частицу, и явилось причиной этого научного недоразумения. Когда экспериментаторы нашли наконец способ сделать электрическое поле совершенно однородным, коварный дипольный момент перестал влиять на результаты опытов.

Но при этом исчезли и кварки, точнее, те смещения, которые до этого свидетельствовали, казалось, об их присутствии. И исчезли уже навсегда.

Открытие и закрытие. Иногда их делают разные исследователи: одни открывают, другие закрывают.

Чаще же «закрывание» осуществляют сами «открыватели». Так было и в случае, о котором мы только что рассказали.

Хотя и бывают порой «закрытия» ценные, «закрытия», восстанавливающие истину, спасающие науку от заблуждений, ложных дальнейших шагов, — цена их явно неравнозначна открытию. «Золото» найденного сверкает и слепит, веселя сердце первооткрывателей, помогая им быстро забыть всю тяжесть усилий, потраченных для достижения победного результата.

Иное при «закрытии». Здесь трудности часто те же — отрицательность результата не уменьшает их ни на йоту.

Ученые тратили последние силы, рискуя здоровьем, а то и самой жизнью (и такое бывает!). А что могут получить взамен? Разочарование, иронические замечания коллег, потерю веры в собственные силы, апатию. Не только победных возгласов не услышат, но даже просто опубликовать отрицательный результат не всегда смогут. В лучшем случае где-нибудь, как бы ненароком, в сносках, в примечаниях удастся упомянуть про кусок научной жизни, отданный такой неблагодарной работе.

Следы невиданных зверей

Когда высоко в небе пролетает реактивный самолет, он оставляет за собой постепенно расплывающийся след — облачко кристалликов льда. Сам самолет часто невидим, и его присутствие выдает лишь оставленный им белый пушистый хвост. Глядя на этот след, мы можем думать о чем угодно, но только не об элементарных частицах.

А напрасно! Многие сведения о микромире ученые получили, как раз разглядывая следы, подобные следу самолета в небе. Оказывается, точно таким же способом и микрочастица может тропить свой путь.

Но следы, невольно выдавая охотнику свое присутствие, оставляет и зверь в лесу. Так вновь пересекаются охота лесная и охота ядерная. По этому поводу можно было бы даже сочинить небольшое эссе. В нем нашлось бы место и для особых заповедей, отличающих охоту ученую от охоты обычной. Тут пришлось бы перечислить пункты вроде таких:

1. В охоте научной поймал тот, кто поймал первым.

Второй, третий и последующие «удачливые» охотники в зачет уже не идут.

2. Совершенно неважно, сколько ты поймал. Даже единственного экземпляра «зверя» будет вполне достаточно.

3. Вовсе не обязательно ловить самого «зверя»: достаточно его каким-то образом обнаружить — увидеть и сфотографировать (чтоб не сомневались остальные охотники!) или, скажем, найти его след…

Умению детектировать следы невидимых частиц, сделать их заметными для глаза или регистрирующего их аппарата мы обязаны английскому физику, выходцу из Шотландии Ч. Вильсону (1869–1959).

Ученый начинал свою научную карьеру как метеоролог. Его интересовало, как зарождаются в атмосфере облака. Но эти поиски неожиданно завели его совсем в другую область науки.

Ч. Вильсон часто любовался облаками, обволакивающими вершину Бен Невиса — высочайшего горного пика не только Шотландии, но и всей Англии. И уже в лаборатории (Ч. Вильсон был сотрудником Дж. Томсона в Кембридже) пытался в меньшем масштабе воспроизвести это красивое и загадочное тогда явление.

Он поступал так: насыщал водяным паром воздух в небольшой камере, затем быстро выдвигал стенку-поршень камеры, смесь воздуха и водяного пара расширялась, температура ее падала. Воздух в камере переохлаждался, и в ней в любой момент могло начаться выделение капелек влаги. Так можно было имитировать образование облаков.

Однако лабораторные облака, как и естественные, образуются не всегда. Хотя пересыщенный пар находится в крайне неустойчивом состоянии (ученые называют это состояние метастабильным), для образования капелек необходима «затравка», какие-нибудь микрозародыши. Ими могут быть, к примеру, всегда присутствующие в городском воздухе частицы индустриальной пыли. (След самолета в небе — это и есть капельки влаги, которые сконденсировались на частичках недогоревшего топлива, выбрасываемых мотором самолета, и быстро замерзли.)

Ч. Вильсон продолжал экспериментировать, и однажды его осенила счастливая мысль, что зародышами каплеобразования могут стать и ионы воздуха. И доказал это.

Когда заряженная элементарная частица проходит сквозь вещество, она своим электрическим полем срывает часть электронов с оболочек встречных атомов — ионизирует их. Вдоль пути пролетающей частицы выстраивается цепочка ионов. Если частица при этом движется в переувлажненной среде, то на ионах будут возникать капельки влаги. Они начнут быстро расти и достигнут видимых размеров.