Юрий Чирков - Охота за кварками

• Название: Охота за кварками
• Автор: Юрий Чирков
• Издательство: Молодая гвардия
• Жанр: Научпоп
• Год: 1985

Вот уже 20 лет кварки интригуют физиков. Эти выдуманные частицы многое объяснили и могли бы стать первоэлементами, из которых построен мир если бы их удалось обнаружить! О головоломных путях познания которыми идут ученые о фантастичности картины мира открывающейся их глазам, о новейших научных достижениях физики рассказывает доктор наук Ю. Чирков. Издание рассчитано на самые широкие круги читателей.

---

Регистрировались и другие одиночные события, которым были присвоены экзотические названия: «Андромеда», «Кентавр». Подобные явления указывают на существование в природе сверхтяжелых частиц с массами до 200 ГэВ. Возможно, однажды так будет обнаружен и легендарный магнитный монополь…

Другая ветвь пассивных экспериментов, на удивление, не только не хочет иметь дело с космическими лучами, но прямо-таки стремится от них всячески избавиться: напрочь исключить их присутствие.

К этому обычно стремятся ловцы нейтрино, этих практически неуловимых, вертких частиц, для которых, казалоcь бы, не существует никаких преград (они с легкостью способны пронзить земной шар и не провзаимодействовать при этом ни с одной из повстречавшихся им на пути частиц).

Нейтринные потоки летят к нам из космоса вместе с другими компонентами космических лучей. И на этом фоне зарегистрировать нейтрино — это все равно, что во время оглушительной канонады пытаться услышать звук упавшей на Землю капли дождя. Вот и стремятся нейтринщики избавиться от космического фона. К примеру, они пробуют «зарыть» детекторы-приборы далеко в глубь Земли, чтобы скальные породы, прозрачные для нейтрино, отсеяли остальные легко взаимодействующие с веществами составляющие космических лучей.

Возможности реализации нейтринных проектов не раз рассматривались в нашей стране. По решению Научного совета по нейтринной физике при Академии наук СССР силами Института ядерных исследований озеро Байкал было недавно выбрано местом проведения уникального эксперимента: озеро Байкал должно стать ловушкой для нейтрино!

Ученые планируют создать в глубинах вод Байкала огромные — миллионы кубических метров — детекторы в виде «кристаллической решетки», в узлах которой разместятся тысячи детекторов-фотоумножителей. Они-то и будут вылавливать нейтрино.

Однако но только активные (ускорители), но и пассивные эксперименты также обходятся недешево. Поэтому вновь и вновь возникает соблазн ограничиться теорией, скажем, вести «эксперименты» на… ЭВМ.

Примерно четверть века назад вокруг ЭВМ кипели страсти, обсуждались вопросы: может ли машина мыслить, не дойдет ли дело до бунта роботов?.. Любопытно, что споры шли тогда, когда фактических оснований для них в общем-то не было; компьютеры были еще очень примитивными. А ныне, когда обычный калькулятор предлагает сервис куда больший, чем громадная машина тех далеких лет, шумиха улеглась. Споры затихли, но число профессий у ЭВМ быстро множится. В частности, в последние годы заговорили о приходе новой науки — вычислительной физики.

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).