Когда я дописал эту главу, то почувствовал, как бы хорошо поместить в «примечание» полную таблицу со всеми частицами, с перечнем их свойств и обязательно классифицированные по наиновейшей системе. Я даже представил себе, как красиво будет выглядеть такая таблица, имеющая в своей основе таинственные кварки, и принялся за работу.
С самого начала это оказалось не так просто. Смущало то, что физики-теоретики уже давно предсказали кроме имеющихся, так сказать, «живых» частиц, еще целый ворох пока не открытых. Многие из них обладали весьма странными свойствами, с трудом «влезали» в классификацию, а главное, никто не мог сказать, когда экспериментаторы «сподобятся» их открыть и вообще откроют ли?..
Поколебавшись, я не стал записывать в свой перечень эти частицы-призраки. Решил, что обойдусь только теми, которые известны наверняка.
Я работал трудолюбиво и долго. И в конце концов трудности остались позади. Я перечертил и переписал таблицу набело, полюбовался ее стройностью и понес показать одному из своих приятелей, физику-теоретику, который как раз занимался проблемами элементарных частиц и обычно либо пропадал на конференциях, либо торчал в Гатчине на синхротроне.
Мне повезло. Он оказался дома с гриппом. Похвалив меня за труженичество, он обещал проверить, все ли правильно. Я был очень горд.
Пару дней спустя, вернувшись вечером домой, я нашел на письменном столе свою таблицу с надписью: «Все так, но не полно. Хи-хи!» Рядом лежала статья, в которой рассказывалось об открытии новой частицы.
«Ну и что? — подумал я. — Сейчас вставлю ее в свою таблицу, пополню, так сказать, творение последними достижениями науки и — ладушки…» Но «ладушки» не получались. Очень уж было непонятно, куда, к какому отряду уже известных частиц нужно пристраивать новую. С одной стороны, она была похожа на фотон. Но с другой — масса ее втрое превосходила массу «тяжеловеса» протона. Однако и к адронам — частицам сильных взаимодействий отнести ее было нельзя, потому что жила она для этого слишком долго…
Странная частица, правда? Пожалуй, лучшим выходом из положения было подождать приятеля и поговорить с ним.
Наконец он вернулся из Бакуриани с конференции, и мы встретились. Вот что он мне рассказал.
Первыми обнаружили новую частицу физики Брукхейвенской национальной лаборатории. Они облучали потоком протонов бериллиевую мишень на старом синхротроне и с помощью детектора следов наблюдали электрон-позитронные пары, рождавшиеся на самом последнем этапе эксперимента. Все шло, как запланировали. И вдруг — неожиданность. В распределении по массам узкий и высокий пик говорил о существовании нового и очень долгоживущего резонанса.
Руководитель группы профессор Тинг даже растерялся. Он ходил взад и вперед со злосчастным рисунком-графиком в кармане и молчал. Сотрудники его группы тщательно проверили еще и еще раз результаты, оценили процессы, которые могли бы имитировать событие, обсудили все возможные интерпретации, произвели кинематический анализ… Короче говоря, они готовили статью об открытии. И на вопросы коллег предпочитали давать уклончивые ответы.
Тинг поехал в Стенфордский университет. Там на ускорителе другого типа под руководством Барта Рихтера велись схожие эксперименты. Задав машине условия, близкие тем, что были в Брукхейвене, стенфордцы буквально в течение одной ночи обнаружили существование удивительной частицы. Вот тогда-то Тинг и вытащил из кармана заветную фотографию.
Статьи обеих групп были опубликованы в одном номере журнала с той лишь разницей, что брукхейвенская группа назвала свою частицу «джей», а стенфордцы — «пси».
Злые языки утверждали, что руководитель брукхейвенской группы настаивал на своем названии новой частицы потому, что китайский иероглиф, с помощью которого пишется фамилия Тинг, необычайно похож на английское написание «джей». Но это, конечно, имеет совсем небольшое отношение к науке и приводится лишь для того, чтобы читатель понял — за каждым опытом, за каждым открытием в любой отрасли науки стоят люди.
Кстати, узнав о результатах Брукхейвена и Стенфорда итальянские физики из Фраскатти — лаборатории ядерных исследований, расположенной недалеко от Рима, — подняли мощность своей установки «Адона» до предела и тоже подтвердили существование новой частицы.
Во всяком случае, свои результаты они продиктовали в редакцию того же журнала прямо по телефону, чтобы успеть в номер…
Как только статьи были опубликованы, в редакцию стали приходить письма физиков-теоретиков со всевозможными объяснениями непонятного явления. По меньшей мере дюжина таких теорий увидела свет в следующем же номере журнала. И две или три из них оказались весьма многообещающими.
Новая частица категорически требовала, чтобы ее составляли из очарованного кварка и антикварка, ее собственное суммарное очарование при этом равнялось нулю. Но если согласиться на введение четвертого кварка, то в будущем следовало ждать еще не одну и не две частицы, а целого их выводка. В каждой очарованный кварк соединялся бы с «обычным» антикварком или, наоборот, создавая новые и новые частицы, с ненулевым очарованием.
Разговор о кварках не может быть закончен без ответов еще на два вопроса. Первый — что связывает кварки между собой внутри адрона, то есть что является переносчиком сил между взаимодействующими кварками, сил довольно странных?.. И второй — почему даже с помощью самых мощных наших ускорителей никак не удается высвободить из адронов свободные кварки?
Оба вопроса связаны друг с другом. Взаимодействие, или связь кварков, теоретически установлено. Мы договорились, что всякое взаимодействие в микромире осуществляется с помощью обмена частицами-переносчиками. Так, фотоны являются переносчиками электромагнитных сил, взаимодействие между нуклонами в ядре осуществляется с помощью мезонов. Ну, а взаимодействие между кварками? И здесь должны быть частицы — переносчики сил. Назвали их глюонами от английского «to glue» — «склеивать». А почему силу, которую они переносят, я назвал странной? Дело в том, что она, по всем теоретическим данным, должна расти с увеличением расстояния между кварками. Расти, а не убывать!..
Вы скажете: «Так не бывает в природе!» — и ошибетесь. Знакомый всем пример — тоненькая резиночка, с помощью которой так ловко на уроке стрелять скатанными из бумаги согнутыми «пульками». Чем больше вы ее растягиваете, тем сильнее она этому сопротивляется. Пример, может быть, грубоватый, но зато наглядный.
Однако окончательного ответа на вопрос, почему не удается высвободить кварки из адронов, пока у физиков нет! Может быть, помогут в этом новые ускорители, которые запланировано построить еще до конца нашего столетия? Who knows?
Теоретики все еще продолжали спорить, когда экспериментаторы на своих ускорителях стали получать загадочные очарованные частицы одну за другой.
В июле 1977 года в Батавии на самом мощном ускорителе получили еще одну частицу типа Джей-Пси, но со значительно большей массой. К осени она расщепилась на три и стало похоже, что история, которую я так трудолюбиво описывал до этого, стала повторяться…
Небезынтересно отметить, что в споре о названии новой частицы существенную роль сыграла ЭВМ. Вот что пишут советские физики Франкфурт и Хозе: «Следующий мезон из этой серии (с массой примерно 3700 МэВ), при восстановлении на ЭВМ своего распада, решительно изобразил Ψ-частицу. Ψ-мезон — единственная частица, которая сама умеет писать свое имя».
Сегодня природу пси-мезона удалось объяснить с помощью очарованных с-кварка и с-антикварка. Общий шарм у частицы при этом равен нулю, но не потому, что его нет вообще, а потому, что в отличие от обыкновенных адронов, составленных из обычных кварков, пси-частицы обладают скрытым шармом. И такую систему, состоящую из шармовых кварка и антикварка, по аналогии с системой из электрона с позитроном — позитрония — физики назвали шармонием.
Как же ныне выглядит классификация фундаментальных элементарых частиц? Прежде всего в них входят 18 кварков. Шесть ароматов, включая и не совсем пока «законный» top-кварк, по три «цвета» в каждом. Затем — шесть лептонов. Я напомню, что лептонами мы называем класс точечноподобных частиц, которые не подвержены сильному взаимодействию. Лептоны объединяются в три пары: электрон и электронное нейтрино, мюон и мюонное нейтрино, тау-лептон и тау-лептонное нейтрино. Следом идет фотон и три промежуточных бозона, о которых мы говорили. Восемь глюонов — частиц, не участвующих ни в электромагнитном, ни в слабом взаимодействии, а только — в сильном (цветном). И последней частицей является гипотетический хиггсов бозон, названный так по имени ученого, открывшего механизм нарушения симметрии. Впрочем, последний ли — who knows! Кто знает! Но пока всего: 18+6+1+3+8+1=37! Тридцать семь фундаментальных элементарных кирпичиков вещества. А если добавить к ним еще и античастицы?.. Опять их получается слишком много. Похоже, что история начинает повторяться. И если оценивать современную стандартную модель, включающую в себя электрослабую теорию и квантовую хромодинамику, с позиций простоты (а я хотел бы напомнить, что слово «элементарный» как раз и означает «простейший»), то вряд ли мы могли бы утверждать, что сделали существенный шаг вперед по сравнению с представлениями древних. Вспомните, с чего мы начинали:
…Четыре корня всего существующего:
Огонь и вода, и земля, и безграничная высь эфира…
…То любовью соединяются все воедино,
То, напротив, враждою ненависти все несется в разные стороны.
Четыре элемента-стихии и два вида взаимодействия — это вам не более чем полсотни фундаментальных частиц и античастиц с электрослабым, сильным и гравитационным воздействием.
В стандартной модели пока немало уязвимых мест. Два из них особенно неприятны. Первое — это вопрос о бозоне Хиггса. Электрослабая теория требует его существования, но не определяет способа его взаимодействия с другими частицами и не уточняет значения его массы. Второе темное место заключается в том, что никто из физиков не может пока вразумительно и однозначно ответить, можно ли в рамках квантовой теории описать гравитацию. То есть можем ли мы считать, что сила тяготения передается тоже с помощью элементарных частиц-гравитонов. Вследствие этого на пути объединения гравитации с другими фундаментальными взаимодействиями встают значительные трудности.
Правда, попытки такие делаются. Совсем недавно предложена новая, так называемая теория суперструны со своим математическим аппаратом, обещающим как будто возможность включения гравитации в Великое объединение. Это было бы огромным достижением. Ведь такая теория еще сильнее сблизила бы физику элементарных частиц с космологией, то есть микро- и макромир. Теория бесконечно малого помогла бы понять процессы, которые происходили в самые первые мгновения бесконечно большого — нашей Вселенной, приблизили бы нас к тому великому катаклизму, который сегодня ученые называют Большим взрывом. Но для этого нам понадобятся новые еще более мощные, а следовательно и еще более дорогие и сложные приборы, для исследования фундаментальных законов в области сверхвысоких «звездных» энергий.
Что же является главной основой в реализации нашего бесконечного стремления понять окружающий мир? Оказывается не так много: добрая воля и международное сотрудничество ученых на фундаменте всеобщего мира на Земле. Только и всего…
«Знаешь, — сказал мой приятель-физик, — я думаю, нам предстоит ожидать новых типов кварков. Кстати… — Он почему-то улыбнулся и вытащил из портфеля препринт Института физики высоких энергий. — Я подумал, что тебе это может быть интересно. Последний препринт. Свеженький…»
Он положил тоненькую тетрадочку на стол и ушел. А я остался читать… «В нейтринном эксперименте на камере СКАТ зарегистрировано образование тяжелой короткоживущей нейтральной частицы с массой 1,4≤mм°≤2,5 ГэВ/с2 и временем жизни r ⁓ 6∙10-12 с. Событие может быть интерпретировано как рождение и распад тяжелого лептона… Не исключена вероятность интерпретации события как одиночного рождения в недиагональном нейтральном токе очарованной частицы D° → е+ + π— + νe…»
В конце стояла приписка о том, что «Рукопись поступила в издательскую группу 11 февраля 1977 года».
Вот вам и тяжелый лептон. Частица с нулевым зарядом, как у нейтрино, но с огромной массой — это же надо! Уж ей-то точно нет места в моей классификации, а между тем она существует…
Что мне оставалось делать? Взял я свою таблицу, спрятал в папку и отложил до лучших времен. Может быть, они наступят очень скоро. Потому что если собрать вместе все нерешенные на сегодняшний день проблемы ядерной физики и физики элементарных частиц, то получится такой высокий холм, с высоты которого можно сразу увидеть, что мы стоим на пороге больших и серьезных достижений. Когда это случится? Трудно сказать. Может быть, тогда, когда нынешнее поколение физиков-теоретиков подготовит новую классификацию, которая просуществует без изменений хотя бы то время, которое необходимо, чтобы написать о ней книжку.
А может быть, моей таблице предстоит лежать в папке до тех пор, пока на смену сегодняшним физикам не придут новые… Не исключено, что в их числе будет кто-то из вас, мои читатели. Тогда, пожалуйста, вспомните эту книжку и напишите мне о своей работе. Я буду ждать…