Александр Потупа - Бег за бесконечностью

• Название: Бег за бесконечностью
• Автор: Александр Потупа
• Издательство: Молодая гвардия
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1977

В книге рассказывается о современных представлениях об одной из самых быстроразвивающихся фундаментальных наук — физике элементарных частиц. Основное внимание уделено описанию сильновзаимодействующих частиц — адронов их поведению в различных реакциях при высоких энергиях.

---

Именно поэтому и необходимы все разговоры об эволюции, обсуждение законов формирования структурного адрона.

То, что адроны постепенно формируются, как бы наращивая свою структуру, позволяет нам понять общую причину сильной взаимосвязи между актами их испускания. Ведь новые адроны формируют свою структуру за счет единого строительного материала — кварков-партонов, — который в изобилии существует в течение всего времени взаимодействия между столкнувшимися частицами.

А теперь попробуем нарисовать упрощенную картину «множественного рождения».

Предположим, что сталкиваются между собой два протона. Их внешние оболочки, состоящие из виртуальных адронов, возбуждаются, почти готовые виртуальные адроны получают необходимую энергию, достраивают свою структуру и сбрасываются с каждого протона. Этот процесс и соответствует фрагментации.

Родившиеся таким образом адроны представляют собой как бы фрагменты осколки одного из столкнувшихся протонов. Но, как вы помните, фрагментация лишь один, и при том не основной, механизм «множественности рождения». Основное число новых частиц появляется не в качестве фрагментов какого-либо протона, а производится, так сказать, коллективно обеими сталкивающимися частицами. Что же происходит в этом случае?

[Image001]

Возможная картина поэтапного формирования адронов в области взаимодействия в процессах аннигиляционного типа (разделение на стадии сугубо условное).

На самой ранней стадии образуется партонная «каша» — неравновесное вещество, состоящее из «голых» адронов. Расширение этого сгустка сопровождается формированием пространственных неоднородностей — относительно небольших сгустков виртуальных частиц — своеобразных зародышей реальных адронов. На последней стадии формирование завершается, «зародыши» успевают разойтись на довольно большие расстояния и, разделив между собой «шубу», перестают взаимодействовать. Далее регистрируются свободные адроны, причем с большими взаимными корреляциями — памятью о происхождении из общего партонного сгустка.

Оказывается, здесь для объяснения такого механизма рождения приходится привлекать свойства кварков-партонов, в основном их способность сильно взаимодействовать на сравнительно больших расстояниях.

В промежуток времени, когда столкнувшиеся протоны взаимодействуют между собой, их внешние оболочки испытывают сильное возбуждение и частично разрушаются. Это может сопровождаться следующим интересным явлением. Начинают активно взаимодействовать между собой кварки-партоны из кварковых морей — промежуточных оболочек каждого протона.

«Морской кварк», находящийся в одном из протонов, воспринимает аналогичный кварк из другого протона как «беглеца», так же как он воспринял бы своего соседа по кварковому морю, попытавшегося уйти на большое расстояние и покинуть собственный протон. Таким образом, кварки из «морей» немедленно начинают взаимную атаку, пытаясь затащить друг друга в свою структуру. Роль арканов, которые кварки из различных протонов набрасывают друг на друга, играют силы, переносимые глюонами.

Результаты этих микросражений могут быть самыми разнообразными. Каждый из протонов приобретет и потеряет то или иное количество кварков, но в среднем итог окажется ничейным, наподобие известной ситуации с двумя равносильными командами, перетягивающими канат. Однако взаимодействие кварковых морей не пройдет бесследно.

Каждый из протонов как бы выплеснет из себя определенное количество кварков-партонов, которые не смогут ни возвратиться назад, ни попасть в другой протон. Порции кварков-партонов из каждого протона объединятся в единый сгусток своеобразного партонного вещества, который уже не принадлежит ни одному из столкнувшихся протонов, а представляет собой какой-то особый объект. Этот объект в высшей степени нестабилен. Но для того чтобы он распался к концу взаимодействия, в нем должны успеть сформироваться реальные адроны. Ведь отдельные кварки-партоны его покинуть не могут, они будут немедленно затянуты назад этим сгустком или одним из протонов.

Исходного строительного материала для формирования реальных адронов в этом сгустке вполне достаточно. Первоначально — по условиям своего образования — сгусток состоит в основном из отдельных кварков и антикварков, покинувших один из протонов.

Кварки и антикварки попарно образуют «кварковые атомы» — зародыши будущих реальных мезонов. Несколько менее вероятно образование зародышей из трех кварков или трех антикварков, которые впоследствии становятся барионами или антибарионами соответственно. Эти зародыши начинают постепенно обрастать структурой, каждый из них формирует вокруг себя из свободных кварков-партонов кварковое море, а потом и внешнюю оболочку. По прошествии определенного времени в сгустке вообще не остается свободных кварков-партонов, все они как бы разбираются по формирующимся вокруг зародышей оболочками. Сгусток превращается в набор отдельных адронов, которые уже полностью сформировались, и распадается на эти адроны, главным образом пи-мезоны.

Теперь понятно, почему этот механизм «множественного рождения» пионизацию — нельзя рассматривать как развал самих сталкивающихся протонов. Ведь новые частицы образуются в этом случае из особого сгустка, порожденного, в свою очередь, из структурных элементов обоих протонов. Очень вероятно, что зародыши реальных мезонов, которые образуются в таком процессе, представляют собой «кварковые атомы», включающие в себя, скажем, кварки из одного протона и антикварк — из другого. Так что эти мезоны оказываются продуктом «коллективного творчества» обоих сталкивающихся протонов!

Новые мезоны, рождающиеся из сгустка, должны в определенной степени помнить о своем происхождении из единого сгустка кварк-партонного вещества. Видимо, этим и можно объяснить сильную взаимосвязь между ними, заметную взаимозависимость актов рождения различных мезонов. Не исключено, что в результате столкновения протонов образуется не один, а несколько сгустков, которые потом и распадаются, излучая адроны.

Что же это за сгустки? Не являются ли они теми самыми файрболами, о которых сообщали исследователи космических лучей?

Может быть, так и есть; но до полной уверенности еще далеко. Вообще нарисованная здесь картина «множественного рождения» имеет весьма предварительный характер. Многие, причем отнюдь не второстепенные детали пока еще не ясны. Скорее всего это своеобразный проект, набросок той картины, которая появится в будущей теории сильных взаимодействий.

Пока же вопросов все еще больше, чем ответов. Вы, конечно же, заметили, что все заголовки данной главы — тоже вопросы. Их на самом деле много — этих проблем, трудностей и неясностей, относящихся к поведению адронов. А лептоны, а фотон?

И здесь нерешенных задач больше, чем хотелось бы видеть, отмечая 80-летие самой красивой дамы физического королевства…

Впрочем, стоит вспомнить прекрасную бальзаковскую строку: «Ключом ко всякой науке является вопросительный знак». Она, несомненно, должна утешать исследователей микромира, у которых накопилась внушительная связка этих самых «ключей». Остается совсем немного — выяснить, какой из них послужит настоящим «золотым ключиком» к будущей теории элементарных частиц.

Глава шестая, полностью направленная в будущее

Что самое общее для всех Надежда; ибо если у кого и ничего нет, то она есть.

Фалес Милетский

Надежды, деньги и все такое…

Я долго соображал, как назвать этот раздел. По инерции, унаследованной от предыдущей главы, проносились вопросительные заголовки типа: «К чему мы стремимся?», или: «Сколько стоит Бег за Бесконечностью?» В конечном счете, эти вопросы и определяют цель очередного рассказа.

Физики все время стремятся к предельному упрощению картины сильных взаимодействий. Существует предположение, что эта картина должна действительно упрощаться с ростом энергии сталкивающихся частиц. На первый взгляд оно кажется чуть ли не парадоксальным. Например, с ростом энергии рождается все больше и больше адронов, а разбираться с несколькими частицами, образовавшимися в результате соударения, уже довольно сложно.

Но в том-то и дело, что речь должна идти не о «несколько» и даже не о «много», а об «очень много». И именно в последнем случае мы может рассчитывать на определенную простоту.

Во-первых, при достаточно высоких энергиях физики могут столкнуться с каким-то новым субэлементарным уровнем строения вещества и объяснить, таким образом, устройство известных элементарных частиц. Это, конечно, идеальный вариант, несколько напоминающий историю атомной физики. Ведь в свое время атомы были поняты благодаря тому, что из них удалось выделить составные части — электроны и ядра. Несмотря на то, что и электроны и ядра до сих пор остаются в роли изучаемых и недостаточно понятных объектов, структура атомов считается известной и весьма простой. Казалось бы, идеи о кварковой и партонной структуре адронов хорошо оправдываются, и, следовательно, открытие субэлементарного уровня вот-вот произойдет.