Вселенная в электроне

Понятно, как важно было бы «изловить» магнитный монополь. Физики-теоретики тщательно проанализировали условия, при которых он может родиться. Выяснилось, что эти условия не выходят за пределы известных нам физических законов и, в принципе, могут реализоваться в природе, однако частицы, несущие на себе магнитный заряд, должны быть необычайно тяжелыми — по меньшей мере в 10¹⁶ раз тяжелее протона. Массу протона надо увеличить в триллион раз и еще умножить на десять тысяч! Монополь весит больше бактерии и высится горой среди остальных элементарных частиц.

Конечно, ни один ускоритель не в состоянии породить такое «микрочудовище». Это не под силу даже самым высокоэнергетическим частицам космического излучения. Столь массивные объекты могли образоваться лишь в первые мгновения после рождения самой нашей Вселенной, когда ее температура и плотность были фантастически велики и энергии хватало, для рождения самых тяжелых частиц. Об этом мы подробно поговорим в следующей главе, а сейчас важно лишь запомнить, что, подобно сумчатым животным Австралии, где-нибудь в космосе могли сохраниться реликтовые магнитные частицы. Они очень редки, так как иначе было бы заметным их опустошительное действие в окружающем веществе. Но может быть, физикам повезет, и они когда-нибудь смогут воочию познакомиться с подобной частицей.

Пожалуй, мы несколько задержались возле клетки монополей, но уж очень необычны повадки этих «зверей»! Зато у следующей клетки остановимся лишь на минутку. Она приготовлена для максимона, еще одного монстра, вычисленного теоретиками. Это самая тяжелая элементарная частица из всех, какие только могут быть. Ее вес в сотни раз больше, чем у магнитного монополя, — что-нибудь около микрограмма. Как у крупной, видимой глазом пылинки. Такой мастодонт и элементарным-то называть как-то неудобно!

Максимон так тяжел, что под давлением своего веса проваливается сквозь дно любого сосуда и «прокалывает» Землю вплоть до ее центра, поэтому, как и для магнитного монополя, его клетка должна быть сделана из магнитных полей. Если, конечно, они на него действуют — ведь о свойствах максимона (эту суперчастицу предсказал советский академик М. А. Марков) известно очень мало. Честно говоря, пока физики не очень уверены в существовании такой сверхтяжелой частицы. Теоретические прогнозы не всегда оправдываются.

Наконец, у самого выхода из зоопарка элементарных частиц расположен загон для фаерболлов. По-английски «фаерболл» — огненный шар. Это что-то похожее одновременно на блуждающую шаровую молнию и на ослепительно яркий сгусток атомного взрыва. Только в микроскопических масштабах. По мнению некоторых физиков, такие фаерболлы образуются при столкновениях сильно разогнанных, обладающих очень большой энергией частиц. Образуются и почти мгновенно распадаются на более легкие частицы.

Скептики шутят, что фаерболл похож на знаменитое чудовище Несси из шотландского озера Лох-Несс. Говорят о нем давно, но до сих пор неизвестно, существует оно на самом деле или нет. Одни его видят, другие нет.

Может, фаерболлы вовсе и не элементарные частицы, а какие-то более сложные образования. Не зря их загон расположен у выхода из зоопарка…

Закрыто на учет

Итак, целая россыпь, сотни элементарных частиц! Как разноцветный бисер, на любой глаз и вкус! А если верить теории, то при слиянии любой пары частиц должна образоваться новая частица, поэтому число их вообще должно быть бесконечным. Расчет показывает, что частиц, которые в два-три раза тяжелее нуклона, должно быть сотни тысяч, а частиц с массой, впятеро большей, чем у нуклона, — уже сотни миллионов!

Трудно согласиться с тем, что природе действительно понадобилось такое огромное количество простейших «строительных деталей». Тем более, что весь мир можно скомпоновать всего из четырех таких деталей: электрона, нуклона, пи-мезона и фотона. Пи-мезоны нужны, чтобы «слепить» из нуклонов атомные ядра, а фотоны и электроны — для того, чтобы «сплести» ажурные конструкции атомов и молекул. Все остальные частицы кажутся просто лишними. Зачем они, если и без них можно обойтись?

Когда слышишь такой вопрос, невольно вспоминаешь, как неискушенный в деле человек пытается починить часы. У него всякий раз что-нибудь да остается — то винтик, то шайбочка. И хотя поначалу кажется, что все в порядке — часы идут, вскоре они почему-то ломаются. Так и с частицами. У природы нет лишних «деталей». Если назначение некоторых из них остается неясным, это говорит лишь об уровне наших знаний на данном этапе…

Отложим пока этот сложный вопрос до следующей главы. Там мы увидим, что многие, кажущиеся сейчас лишними, частицы нужны были на ранних этапах жизни Вселенной. Тогда без них просто нельзя было обойтись. Когда смотришь на россыпь частиц, первое, что хочется сделать, — это попытаться все-таки выделить какие-то «наиболее элементарные» частицы, из которых можно составить все остальные. Говоря словами американского физика Р. Фейнмана, который затратил много усилий на систематику элементарных частиц, такие попытки — что-то вроде детской игры в кубики, из которых нужно собрать целую картинку. Кубиков великое множество, и с каждым днем их становится все больше. Часть валяется в стороне и как будто бы не подходит к остальным. Как определить, что они из одного набора? Откуда известно, что вместе они должны составить цельную картинку? Полной уверенности нет, и это несколько беспокоит. Вселяет надежду лишь то, что у многих кубиков есть нечто общее: на всех нарисовано голубое небо, все они сделаны из дерева одного сорта.

Игрой в частицы-кубики занимались многие. Ей отдали дань самые известные и талантливые физики. И ничего не вышло: оказалось, что все частицы в равной степени элементарны. Среди них нет «более простых» и «более сложных».

Однако их можно разбить на семейства, и членов каждого из них рассматривать как различные состояния одной и той же частицы. (Вспомним еще раз об аналогии с лампочкой, которая меняет свой цвет!) Так были найдены семейства, состоящие из восьми и десяти частиц. Есть семейства, содержащие всего лишь по одной частице. Это мезоны-холостяки.

Семейства объединяются в более сложные группы — кланы. Физики называют такие семейства мультиплетами, а кланы — супермультиплетами (от слова «мульти» — много). Сегодня хорошо изучены супермультиплеты, состоящие из 35 и 56 частиц.

Кроме того, выяснилось, что часть короткоживущих частиц можно считать сильно нагретыми (физики говорят — возбужденными) состояниями остальных.

И самое главное — мультиплеты и супермультиплеты, оказывается, не являются полностью изолированными друг от друга, а связаны определенными родственными отношениями — правилами симметрии.

Если бы частицы, как людей, регистрировали в паспортном столе, то члены семьи-мультиплета имели бы общую фамилию. В клане-супермультиплете были бы представлены разные фамилии, но у всех семей — общие предки. Сами кланы тоже имеют единых прапрародителей.

В целом получается что-то вроде периодической таблицы элементарных частиц, наподобие той, с помощью которой сто лет назад Менделеев навел порядок среди атомов химических элементов. И подобно тому как менделеевская система помогла открыть неизвестные ранее элементы, симметрия мультиплетов также предсказывает существование новых частиц.

Глубокий смысл таблицы Менделеева стал понятен лишь после того, как физика шагнула на новую ступень структурной лестницы — выяснила, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Можно предполагать, что и симметрия элементарных частиц получит свое объяснение после того, как будет открыт следующий ярус строения материи.

Физики нащупали такой ярус, и первые же шаги привели к сенсационным результатам.