Бег за бесконечностью

Глава пятая, где рассказано об очень сложных элементарных частицах — адронах

Исследуя любую структуру, человек должен прежде всего найти способы воздействия на нее. Только это позволит ему понять роль отдельных элементов структуры и их взаимосвязи. Так поступает едва ли не каждый ребенок, получивший в подарок красивую и сложно устроенную игрушку. Малыш со всей доступной ему скоростью стремится проникнуть в секреты механизма, чаще всего безнадежно портит всю хитроумную внутреннюю механику, но и это полезные шаги к постижению мира. Пожалуй, любому из нас знакома хотя бы раз в жизни нападающая страсть — разобрать часы до последнего винтика.

Конечно, проникновение в каждую структуру требует особого инструмента. Игрушку можно разломать, пользуясь обычным молотком или другой «железкой». Чтобы аккуратно разобрать часы, необходимы гораздо более тонкие приспособления — специальные отвертки и пинцеты. При этом, как правило, мастер вынужден применять увеличительное стекло, с помощью которого четко различает мелкие детали.

Чтобы рассмотреть, скажем, кристаллическую структуру обычного вещества, исследователи применяют рентгеновские лучи, имеющие столь малую длину волны, что они чувствуют уже микроскопические детали строения. Еще сложнее увидеть отдельные молекулы и атомы — теперь уже необходимо применять особо короткие дебройлевские волны, связанные с потоками быстрых электронов или ионов.

А как быть в случае элементарных частиц, которые представляют собой вроде бы простейшие структурные составляющие вещества? Интуитивно ясно, что при изучении структуры каких-либо объектов хорошо бы использовать наиболее простые из них. Например, по отношению к атомам такими более простыми объектами могут служить атомные ядра или отдельные элементарные частицы. Для самих же частиц остается единственный способ выяснения их структуры — бомбардировка такими же частицами.

Не существует какого-либо инструмента с заранее известными свойствами, которым можно было бы почувствовать детали строения отдельного представителя микромира. Ведь каждый инструмент должен, в свою очередь, состоять из элементарных частиц. Это и определяет специфику исследования мельчайших составляющих вещества. Все опыты в данной области должны быть устроены по образцу тех мысленных экспериментов по рассеянию электронов, которые мы рассматривали во второй главе, в связи с вероятностной трактовкой квантовой механики.

В начальный момент времени имеются только свободные частицы, скажем, в пучке ускорителя и в веществе мишени. Когда частицы ускоряются до нужной энергии, пучок сбрасывается на мишень и за очень малое время происходит взаимодействие между частицами пучка и мишени. После взаимодействия исходные частицы, которые присутствовали вначале, и вновь родившиеся разлетаются и регистрируются специальной аппаратурой в некоторый конечный момент времени, когда их снова можно считать свободными.

Время движения частиц в свободном состоянии должно намного превышать тот промежуток времени, в течение которого они взаимодействуют. Действительно, длительность взаимодействия, как правило, очень мала — это микроскопическая величина; тогда как за время свободного движения частица должна успеть оставить макроскопический след. Поэтому физики часто говорят так: частицы приходят из минус бесконечности (–∞), взаимодействуют в момент времени, который условно соответствует центру временной оси — нулю, и после взаимодействия уходят на плюс бесконечность (+∞).

Особенно серьезные проблемы возникают в тех случаях, когда мы имеем дело с очень малыми размерами области взаимодействия, то есть того объема, в котором сталкивающиеся частицы вступают в определенный контакт друг с другом.

Например, сильные взаимодействия играют роль только в том случае, когда частицы находятся на микроскопически малых расстояниях. Протон и нейтрон могут испытывать сильнейшее взаимное притяжение, но стоит им разойтись на расстояние, заметно превышающее 10^-13 сантиметра, и они начинают вести себя как свободные частицы.

У физиков нет возможности поместить особую аппаратуру в столь малую область пространства. Как вы помните, всякое устройство для перевода информации с «микро» на «макро» должно состоять из огромного числа атомов. Поэтому, изучая сильные взаимодействия, приходится измерять непосредственно лишь характеристики (импульсы, массы, заряды) свободных частиц, находящихся на больших расстояниях друг от друга задолго до взаимодействия и через большой промежуток времени после того, как само взаимодействие прекращается. И только по закономерностям изменения этих характеристик мы можем судить о том, как устроены взаимодействия и как выглядят участвующие в них частицы.

Такое положение дел приводит к несколько непривычной картине, когда о строении объектов вообще ничего нельзя сказать вне исследования взаимодействия между ними. В свою очередь, силы, действующие между частицами, приходится довольно сложным образом реконструировать по тем закономерностям поведения частиц, которые наблюдаются в различных реакциях.

Но это может показаться удивительным лишь на первый взгляд. Ведь и в своем повседневном опыте мы, строго говоря, не можем изучать структуру какого-либо объекта, не оказывая на этот объект определенного воздействия.

Скажем, исследуя незнакомую комнату, мы непременно воспользуемся освещением, на худой конец, постараемся осторожно действовать на ощупь. Возможности осветить помещение, видеть или осязать предметы, находящиеся в нем, считаются как бы само собой разумеющимися. Поэтому мы обычно воспринимаем устройство такой комнаты как нечто раз и навсегда данное, не зависящее от способа воздействия. Между тем дело здесь просто в слабости этого воздействия. Разумеется, поток света из окна или от электролампы не способен что-либо разрушить в комнате, изменить расстановку мебели и т. п. Если же действовать в темноте и на ощупь, то нетрудно навести такой беспорядок, что и не догадаешься о первоначальном расположении предметов…

Вообразим теперь такую полуфантастическую ситуацию, когда перед нами находится какое-то сложное устройство внутри большого ящика, а забраться внутрь этого ящика и покопаться в его схеме нет никакой возможности. Скажем, ящик не поддается действию механических инструментов, которые находятся в нашем распоряжении, или в него нельзя заглядывать просто по условиям игры. Снаружи имеется некоторое число «входов», куда можно подавать сигналы — определенные комбинации электрических токов, а также экран, на котором в ответ на любой «входной» сигнал появляется какой-то «выходной» сигнал, например, в виде графика поведения электрического тока.

Предположим теперь, что ни схема устройства, ни даже смысл подаваемых сигналов и ответов нам заранее неизвестны, а стоящая перед нами задача — выяснить схему работы ящика и установить природу сигналов.

Эта воображаемая ситуация неплохо отражает характер проблем, стоящих перед исследователями микромира. Роль исходного сигнала играют частицы, выпускаемые из ускорителя на мишень, роль ответного — те частицы, которые получаются в результате реакции. А само хитроумное устройство ящика — это конкретные механизмы взаимодействия между частицами, определяющие правила их поведения во всевозможных реакциях.

Приведенный пример обычно называют «черным ящиком»; название возникло в кибернетике. Для физики оно не совсем подходит, поскольку в физике представление о каком-то «черном» объекте связано с такой характеристикой: он способен все поглощать, но ничего не выпускает, во всяком случае, не отражает. Но дело, конечно, не в словах. Основная ценность такого примера в ясной демонстрации активности экспериментатора. На ящик можно глубокомысленно взирать, но никогда не постичь его устройства, если не воздействовать на его «входы» всеми доступными сигналами и не осмысливать их связи с ответами.

При исследовании частиц, в частности адронов, физики так и поступают: они воздействуют одними частицами на другие и пытаются выяснить строение самих частиц и природу сил, действующих между частицами.

Адроны особенно интересны в этом отношении. Они оказались первыми элементарными частицами, которые, в сущности, неэлементарны и обладают сложной внутренней структурой.

Как вы помните, начальные подозрения в неэлементарности адронов были связаны просто с обилием адронного мира. Весь опыт науки подсказывал, что если наблюдается множество различных объектов одного класса, то они непременно должны быть составлены из гораздо меньшего количества более элементарных объектов. Такова, в сущности, атомистическая традиция, и она пока не подводила физиков.

Попытки свести все наблюдаемое многообразие адронов к каким-то более фундаментальным частицам привели к модели кварков, которая действительно позволяет «сконструировать» любой адрон из нескольких более простых частиц. Несмотря на то, что кварки не были выбиты из адронов, серьезных сомнений в составной природе сильно взаимодействующих представителей микромира у физиков нет.

Но вывод о том, что, скажем, протон составлен из трех кварков, еще не достаточен для полного понимания его структуры. Нужно знать закономерности сил, действующих между кварками, а также представлять себе дополнительные элементы структуры адрона. Нет ли внутри его каких-то иных объектов? Не потребуется ли дополнять чисто кварковую картину какими-либо новыми представлениями?

Важность вопросов такого типа хорошо видна на примере самых первых шагов в микромир. Как вы помните, открытие электрона сыграло решающую роль в постижении структуры атомов. Физики практически сразу осознали, что электроны — непременные составляющие атомов. Однако до тех пор, пока в резерфордовских экспериментах не было проведено прямое зондирование атомной структуры, об устройстве атомов существовали лишь более или менее правдоподобные догадки.

Нечто аналогичное произошло и в адронной физике. Попытки прямого зондирования структуры адронов были предприняты немедленно, как только в руках у исследователей оказались подходящие инструменты.

В 1956 году группа американских физиков под руководством Р. Хофстэдтера приступила к изучению взаимодействия электронов с нуклонами и дейтронами — атомными ядрами дейтерия. Пучок электронов с очень большой (по тем временам!) энергией до 0,6 ГэВ выводился на мишени из водорода или дейтерия. Электроны рассеивались протонами или дейтронами, состоящими из протонов и нейтронов, на некоторые углы относительно направления падения пучка, и физики непосредственно изучали распределение рассеянных электронов по этим углам. Форма такого распределения и должна была дать информацию о строении адронов. В чем же заключалась идея опыта? Под какую модель он ставился?

Дело в том, что теория, а именно — квантовая электродинамика, считала, что электрон представляет собой совершенно бесструктурную, точечную частицу. Во всяком случае, при тех энергиях, при которых ставились опыты, никаких нарушений этого положения не должно было проявляться. Далее, согласно той же теории электрон должен был взаимодействовать с любым другим электрическим зарядом вполне определенным образом, обмениваясь фотоном.

В общем, электрон выступал в этом опыте как объект с достаточно хорошо известными свойствами. Поэтому с его помощью можно было четко выяснить и свойства других, возможно, более сложных объектов.

Если бы он взаимодействовал с такой же электрически заряженной бесструктурной частицей, то закономерности рассеяния можно было бы совершенно точно предсказать и на основе квантовой электродинамики. Иными словами, физики заранее знали, как будет выглядеть распределение рассеянных электронов, если адроны начисто лишены структуры, то есть являются точечными частицами. Имея определенный эталон для точечных адронов, физики вполне справедливо считали, что всякое отклонение от этого эталона окажется прямым доказательством существования структуры.

Конечно, теоретики имели и некоторые предварительные соображения о форме и размерах нуклонов и атомных ядер. Эти соображения основывались на многолетнем изучении ядерных сил в физике атомного ядра, на тех свойствах адронов, которые уже были известны из экспериментов по их взаимодействию и сводились к следующему.

Нуклоны взаимодействуют с большой интенсивностью. Взаимодействие между ними обусловлено обменом пи-мезонами. Следовательно, пи-мезоны испускаются и поглощаются нуклонами с большой вероятностью, гораздо большей, чем фотоны. Даже если нуклон «изолирован» от других адронов, он может испускать и тут же поглощать пи-мезоны, как бы взаимодействуя сам с собой. Такие пи-мезоны называются виртуальными, и они могут отойти от нуклона не очень далеко, на расстояние, не превышающее 10^-13 сантиметра. Поскольку они испускаются очень часто, то вокруг нуклона образуется как бы пи-мезонное облако, а также и облака из других мезонов. Вокруг какого нуклона? Да того, который получился бы при полном выключении сильных взаимодействий, то есть точечного бесструктурного нуклона. В реальном мире такое выключение сделать нельзя, и поэтому нуклон всегда должен быть окружен мезонными облаками и как бы размазан по небольшому объему пространства.

Конечно, эти соображения носили лишь качественный характер — ведь настоящей теории ядерных сил не существовало! Однако они неплохо оправдались.

Эксперименты группы Р. Хофстэдтера показали, что протон и нейтрон обладают четко выраженной структурой. Нуклон не является точечной частицей, а представляет собой своеобразный сгусток какого-то особого вещества, размазанного по области с размером порядка 10^-13 сантиметра. Энергия электронов в этих экспериментах как раз и позволяла заглянуть на такие расстояния и прощупать распределение электрического заряда во внешней оболочке нуклона.

Так сложная структура адронов была обнаружена экспериментально. Конечно же, сложное распределение электрического заряда было установлено для атомных ядер. Впоследствии прямые эксперименты позволили заглянуть и в пи-мезоны. У них тоже обнаружилась четко выраженная структура.

Хотя качественное представление о том, что электрон «видит» сложное распределение виртуальных мезонов, в основном справедливо, полное объяснение экспериментальных данных оказалось не столь уж простым делом. Фотоны пришлось наделять очень интересными новыми свойствами. Дело в том, что непосредственное взаимодействие между электрическими зарядами происходит только при обмене фотоном между ними. Но надо было считать, что фотон может на малую часть времени превращаться в особый тип мезонов и, следовательно, с некоторой вероятностью участвовать в сильных взаимодействиях.

Так была обнаружена структура адронов в электромагнитных взаимодействиях. Но еще сильней эта структура проявлялась во взаимодействиях между адронами.

При упругом рассеянии адронов друг на друге возникает чрезвычайно сложная картина их распределения по углам рассеяния, ни в малейшей степени не напоминающая ту картину, которая появляется при взаимодействии точечных частиц. Это, конечно, и не удивительно — ведь теперь уже взаимодействует как бы два сгустка адронного вещества, два сложных структурных объекта.

Очевидные трудности в понимании картины адрон-адронного рассеяния связаны с тем, что ни одну из сталкивающихся частиц нельзя рассматривать как зонд с хорошо известными свойствами, как это делалось в случае электрон-адронного рассеяния.

Если бы физики имели возможность изучать структуру адронов единственным способом, сталкивая их с другими адронами, то они уподобились бы, скажем, древним эллинам, которым выдан неограниченный запас транзисторных радиоприемников и предложено изучить устройство этих вещей также единственным способом — сталкивая между собой приемники с возможно большей силой…

Итак, все эксперименты свидетельствовали в пользу сложной структуры адронов. Физикам стало ясно, что адроны выглядят как чрезвычайно плотные сгустки вещества с радиусом порядка 10^-13 сантиметра. Однако до поры до времени зондирование адронной структуры проводилось не слишком глубоко. Грубо говоря, результаты экспериментов позволяли представить себе внешний слой адрона, но его внутренние области практически не были изучены.

В 1968 году в небольшом калифорнийском городе Стэнфорде был запущен новый ускоритель электронов с энергией до 20 ГэВ. Несмотря на сравнительно скромное значение этой величины, по сравнению с параметрами протонных синхротронов, Стэнфордский ускоритель стал выдающимся достижением инженерно-физической мысли; ведь электроны ускорять значительно трудней, чем, например, протоны или атомные ядра. Дело в том, что электроны значительно легче протонов и гораздо активней теряют энергию на электромагнитное излучение, затрудняя тем самым процесс ускорения.

Новая установка позволяла заглянуть в адрон намного глубже, чем все предыдущие. Физики фактически впервые получили возможность непосредственно изучать процессы взаимодействия на расстояниях порядка 10^-15 сантиметра, то есть в 100 раз меньших собственного размера адрона!

Конечно, исследователи были уверены, что столь уникальный инструмент для зондирования структуры принесет ценнейшую информацию. Но вряд ли они представляли себе, что самые первые эксперименты дадут совершенно обескураживающие результаты…

Сразу же после запуска ускорителя группа В. Панофского приступила к опытам, которые были задуманы как продолжение хофстэдтеровских работ. Пучок электронов, полученный в ускорителе, выводился на водородную мишень, и измерялось распределение провзаимодействовавших электронов по углам рассеяния и по энергиям.

При этом отбирались главным образом два типа событий: во-первых, случаи упругого рассеяния, в которых электрон передавал протону большой импульс, и, во-вторых, акты, в которых электроны теряли не только большой импульс, но и большую энергию на рождение новых адронов.

С упругим рассеянием электронов на протонах все обстояло как нельзя лучше — новые экспериментальные данные просто продолжали ту же самую закономерность, которая была установлена еще в опытах Р. Хофстэдтера, и не показывали каких-либо резких изменений при переходе к меньшим расстояниям. Хотя характер распределения заряда в глубине протона оставался непонятным.

Зато акты неупругого соударения, в которых электроны передавали протонам большой импульс и теряли большую энергию на рождение новых адронов, выстраивались в крайне странную картину — протон как бы… терял структуру. Поведение наблюдаемых распределений становилось очень похоже на тот эталон, теоретическую формулу, которая была предназначена для описания взаимодействия точечных зарядов.

Получалось так, что в глубоко-неупругих процессах (так было названо рассеяние с передачей большого импульса и большой потерей энергии на образование новых адронов) электрон испытывал соударение с точечным зарядом. Противоречие?

Конечно, если только предположить, что электрон должен «видеть» структуру протона всегда одинаково независимо от ситуации. Но такая точка зрения неудовлетворительна даже в обычной повседневной жизни — восприятие структуры любого объекта или явления сильно зависит от нашего функционального взаимоотношения с ним. Простой пример. Зевака на перекрестке и мастер, копающийся в моторе, видят структуру автомобиля совсем по-разному: первый воспринимает общую форму, второй — отдельные детали.

В конечном итоге такого же типа различие должно было проявляться и при зондировании адронной структуры электронными пучками. Упругое рассеяние с не очень большой передачей импульса позволяло увидеть протон в целом, как единое образование. А вот глубоко-неупругие процессы, в которых возбуждались внутренние области протона и имело место частичное нарушение его целостности, вполне могли давать информацию об отдельных тонких деталях строения.

Любопытно, что о возможности резкого отклонения от хофстэдтеровских результатов при переходе к неупругим реакциям еще в 1964 году писал академик М. Марков. Однако это замечание до поры до времени не находило должного отклика — большинство физиков все-таки надеялись, что адроны сохранят структуру рыхлого облака вплоть до самых малых расстояний.

В связи с результатами стэнфордских экспериментов немедленно возник вопрос: на чем же все-таки рассеивается электрон, неужели протон в глубоко-неупругих процессах выглядит как настоящая бесструктурная точка? Как теперь связать это представление с тем, что известно из прежних экспериментов по исследованию структуры адронов, которые ясно указывали на конечный, вполне определенный размер протона?

В 1969 году американский теоретик Р. Фейнман высказал простую (потрясающе простую!) гипотезу, что протон в глубоко-неупругих процессах предстает не в виде рыхлого облака, а как набор каких-то бесструктурных частиц, партонов (от английского: part — часть). Передавая протону большой импульс, электрон на самом деле испытывает рассеяние на отдельном партоне, а механизм этого рассеяния совершенно обычный — обмен квантом электромагнитного поля — фотоном. Отсюда ясно, что, по крайней мере, некоторая часть партонов обязательно должна нести электрический заряд.

Если при этом очень велика и теряемая электроном энергия, то партон выглядит как совершенно свободная частица, его связи с другими партонами внутри протона как бы рвутся.

Фотон, которым обмениваются электрон и партон, словно фиксирует моментальную фотографию глубокого строения протона. Время взаимодействия этого фотона с партоном намного меньше, чем характерное время взаимодействия самого партона с другими элементами протонной структуры. Поэтому фотон «видит» как бы застывшую картину — почти неподвижные партоны внутри протона.

После жесткого удара партон, получивший очень большой импульс за очень малое время — буквально это означает, что на него подействовала очень большая сила, — резко меняет направление движения, вызывает в протоне изрядную суматоху среди своих собратьев. Теперь протон практически не может сохранить целостность, скорее всего он развалится на несколько «партонных пачек», которые и будут зарегистрированы как новые реальные адроны.

Напротив, в соударениях с малой передачей импульса отдельные партоны получают лишь слабые толчки, связи между ними не могут разорваться, и протон испытывает взаимодействие с электроном как нечто целое. В этом случае вероятность развала протона мала. Поэтому в таких соударениях партонная структура протона просто не видна. Чтобы почувствовать партоны, электрон должен непременно передать протону очень большой импульс, то есть пройти как можно ближе к центру протона. При этом он будет тем отчетливей видеть партоны как особые частицы, чем быстрее фотон успеет поглотиться партоном. Но для быстрого поглощения необходимо, чтобы электрон передал партону и достаточно большую энергию. Чем больше эта энергия, тем отчетливее получается «фотография» партонной структуры.

В сущности, это похоже на известное каждому фотолюбителю правило — нельзя получить хороший снимок, если характерный период движения объекта съемки того же порядка, что и время выдержки…

Качественно проявление партонной структуры очень напоминает картину прохождения электронного пучка не особенно большой энергии сквозь тонкую пленку вещества. Наблюдаемые при этом события четко делятся на два класса — большинство электронов рассеивается на чрезвычайно малые углы, лишь слабо отклоняясь от оси начального пучка, и только малая часть разлетается на сравнительно большие углы. Первый тип событий обусловлен многократными случайными соударениями с атомами, на которых теряется очень малая часть импульса. Во втором случае происходит резкое соударение с атомными электронами — именно здесь и проявляется зернистая структура вещества пленки.

Не лишним будет и напоминание о резерфордовских экспериментах по обнаружению атомных ядер. В сущности, именно те соударения альфа-частиц с ядрами, в которых передавались большие импульсы и альфа-частицы неизбежно отклонялись на большие углы, позволили увидеть ядерную структуру атомов.

Судя по этим аналогиям, экспериментальные результаты группы В. Панофского и их интерпретация Р. Фейнманом означали прорыв к своеобразному субэлементарному уровню. Еще бы! Ведь обнаружены бесструктурные, а следовательно, скорее всего истинно элементарные (!) составные части адрона!

Это впечатление еще более укрепилось, когда советские теоретики В. Матвеев, Р. Мурадян и А. Тавхелидзе из Объединенного института ядерных исследований в Дубне показали, что партоны, вероятнее всего, являются кварками. Выяснилось, что не только в глубоко-неупругом рассеянии электронов на адронах, но и в любом процессе, где адрону передается большой импульс, он (адрон) выглядит именно так, как этого требует кварковая модель. Барионы ведут себя в таких реакциях как система трех почти свободных кварков, а мезоны — как система из кварка и антикварка.

То, что именно кварки способны играть роль партонов — исходного строительного материала для адронов, — оказалось чрезвычайно полезным и глубоким представлением. Это представление вторглось и в такие, казалось бы, давно решенные проблемы, как структура атомного ядра.

Со школьной скамьи мы привыкли к тому, что ядро состоит из протонов и нейтронов. С другой стороны, поскольку каждый нуклон содержит три кварка, то ядра могут рассматриваться и как многокварковая система. Скажем, простейшее составное ядро — дейтрон — в большинстве ситуаций выглядит как связанное состояние протона и нейтрона, но в отдельных случаях его наверняка можно представлять как совокупность шести кварков. Эти сравнительно редкие состояния дейтрона и других ядер были открыты экспериментально. Пытаясь передать ядру очень большой импульс, электрон видит его как совокупность кварков, число которых в три раза превышает число нуклонов в этом ядре.

Теперь уместно немного приостановить нашу экскурсию в глубь адронов и разобраться с явно назревшим вопросом: сколько же существует картин строения представителей этого обширнейшего семейства микромира и как эти картины связаны между собой?

Во всех известных реакциях каждый адрон может быть представлен как определенная комбинация двух (мезоны) или трех (барионы) кварков. Опираясь на такую простую кварковую картину, можно составить все известные адроны с правильными значениями всех зарядов — электрического, барионного, «странности» и др. — и объяснить многие важные закономерности взаимодействия между частицами.

С другой стороны, в адроне присутствуют некоторые бесструктурные чрезвычайно малые частицы — партоны. На основе партонной картины хорошо объясняются закономерности глубоко-неупругого рассеяния, рассеяния адронов с большой передачей импульса, в общем, все те процессы, где исследователи пытаются заглянуть во внутренние области сильновзаимодействующих частиц.

И наконец, в процессах взаимодействия, где адронам передается относительно небольшой импульс, они выглядят как размазанные по области размером 10^-13 сантиметра сгустки вещества.

Итак, перед нами три картины строения одного и того же объекта — адрона. Эти картины, казалось бы, настолько различны, что может возникнуть подозрение — не противоречивы ли они? Насколько согласуются между собой различные представления об адронах?

На этот вопрос пока не существует окончательного ответа. Ведь мы не знаем еще, как выглядит полностью удовлетворительная теория адронов, а только такая теория будет способна согласовать между собой все известные из опыта данные, превратить множество отдельных набросков в полную картину строения частиц.

Однако само по себе сильное различие в трех картинах адронной структуры не служит основанием для каких-то противоречий между ними. Ведь представления о кварковой и партонной структуре и об адроне-облаке первоначально были развиты на основе несколько разных экспериментов и являются как бы разными проекциями одного объекта.

Скажем, профессиональный фотограф способен снять какой-либо предмет совершенно различным образом, так что почти никто и не догадается, что на двух фотографиях запечатлен, например, один и тот же мотоцикл. В одном случае обычная «Ява» будет похожа на себя, а в другом — на техническое чудо внеземной цивилизации. Все дело, как говорится, в ракурсе…

Современная точка зрения на структуру адронов сводится к тому, что все три картины их строения, в принципе, могут быть согласованы.

Попробуем теперь несколькими штрихами набросать ту приближенную схему, которую можно было бы назвать «адрон в разрезе». Для определенности будем говорить о протоне.

Итак, начнем с внешней оболочки. Она наиболее плотная и состоит из множества виртуальных мезонов. Эти мезоны непрерывно рождаются и гибнут и создают нечто вроде пульсирующего облака размером около 10^-13 сантиметра. Наряду с мезонами и несколько глубже их могут существовать более тяжелые виртуальные частицы, скажем, пары протон — антипротон и т. д.

Если перенестись сразу к центру адрона, то там мы обнаружим три кварка — два пэ-кварка и один эн-кварк, которые обеспечивают определенное зарядовое состояние протона. Как вы помните, его электрический и барионный заряды равны плюс единице каждый, а «странность» равна нулю.

Таким образом, внешняя оболочка из виртуальных адронов полностью нейтральна — ее электрический, барионный и прочие заряды должны быть в среднем равны нулю, чтобы не нарушать привилегии кварков, которые и определяют величины наблюдаемых зарядов.

Эти три кварка в центре протона часто называют валентными именно потому, что они полностью задают заряды протона и определяют тем самым многие «правила игры», то есть ряд закономерностей, которым следует протон, взаимодействуя с другими частицами.

Такая аналогия заимствована из химии, где валентность атомов задает основные законы химических реакций. Правда, данной аналогией не стоит особенно увлекаться. В химии валентность связана просто с числом электронов во внешней оболочке атомов. Скажем, натрий (Na) имеет во внешней оболочке один электрон и активно стремится ее заполнить еще семью электронами. Поэтому он охотно вступает в контакт с хлором (Cl), имеющим во внешней оболочке как раз семь электронов. В результате соединения у атомов натрия и хлора образуется как бы единая внешняя оболочка из восьми электронов, а мы благодаря этим электронным правилам получаем необходимый продукт — поваренную соль (NaCl).

Пока неизвестно, образуются ли настоящие кварковые молекулы, то есть существуют ли элементарные частицы, состоящие из нескольких кварковых атомов. Скажем, если протон рассматривать как трехкварковый атом, тогда атомные ядра, состоящие из протонов и нейтронов, в определенном смысле можно считать кварковыми молекулами. Как вы помните, например, дейтрон в некоторых случаях ведет себя как шестикварковая система.

Однако в одном отношении химическая аналогия, несомненно, полезна. Раз есть валентные кварки, значит, должны быть и какие-то невалентные!

Действительно, наряду с тремя кварками, определяющими все заряды протона, необходимо ввести в нашу картину еще множество кварков и антикварков, которое так и называют — кварковым морем. Кварковое море формирует свою оболочку, которую условно можно поместить между внешней, состоящей из виртуальных адронов, и центральной областью, где заключены валентные кварки. В этой же оболочке находятся глюоны — переносчики взаимодействия между кварками.

Разумеется, кварковое море и внешняя оболочка должны быть в целом полностью нейтральны — ведь все зарядовые свойства протона определяются именно валентными кварками.

Необходимость в промежуточной оболочке связана с простыми соображениями, следующими из теории относительности. Как вы помните, мы не можем утверждать просто, что «протон состоит из трех кварков» — это лишь удобная форма представления о его зарядах. Протон с определенной вероятностью может включать в себя не только три валентных кварка, но и сколь угодно большое количество кварк-антикварковых пар. Если бы рождались реальные кварки, то из протона можно было бы выбивать не обязательно три, но и пять, семь и более кварков, лишь бы при ударе выделялась достаточно большая энергия.

Теперь на основе трехслойной структуры — виртуальные адроны, кварковое море, валентные кварки — получается довольно логичная картина протона.

Валентные кварки играют роль тех самых партонов, которые видны электрону, пытающемуся проникнуть в самую сердцевину протона. Электроны, которые проникли не столь глубоко, могут рассеиваться на кварках-партонах из кваркового моря. Если же электрон только скользит по поверхности протона, он чувствует только внешнюю оболочку из виртуальных адронов и естественно, что протон предстает перед ним как рыхлое облако определенных размеров.

Нечто подобное происходит и при рассеянии протонов друг на друге. Если они пролетают на достаточно большом расстоянии (между центрами!) друг от друга, то взаимодействуют главным образом внешними оболочками и при этом формируются довольно сложные закономерности рассеяния «размазанных» объектов. Если же протоны испытывают лобовой удар и буквально вынуждены пройти друг сквозь друга, то непременно сталкиваются их валентные кварки, а сами они разлетаются на большие углы, следуя за своей кварковой сердцевиной.

Нарисованная схема устройства протона, конечно очень упрощена, но, как вы видите, она помогает связать единым образом различные структурные представления о нем.

Эта схема полезна и еще в одном отношении. Обратите внимание, что по мере движения из внутренних областей адрона во внешние мы встречаем все более усложняющиеся частицы.

Если в центре протона находятся три бесструктурных кварка, то следующая промежуточная оболочка включает в себя множество кварков, которые могут образовывать всевозможные комбинации: пары кварк — антикварк, тройки кварков и антикварков. Это, в сущности, кварковые атомы — сердцевины возможных адронов.

Между кварковым морем и внешней оболочкой виртуальных адронов, конечно, не существует резкой границы. Видимо, условное пограничье между морем и внешней оболочкой определяется тем, что большинство морских кварков (физики так и называют кварки из моря!) комбинируются в зародыши будущих частиц, своеобразные кварковые атомы. Виртуальные адроны из внешней оболочки уже обладают каждый своими зарядами, то есть кварковой сердцевиной. Скажем, всякий виртуальный мезон можно рассматривать как комбинацию кварка и антикварка, а каждый виртуальный барион — как комбинацию из трех кварков.

Более того, каждая виртуальная частица из внешней оболочки протона, видимо, успевает обзавестись и собственным кварковым морем (по крайней мере, собственным озером). Поэтому она ведет себя почти как реальная частица, но, чтобы стать по-настоящему реальной, она должна получить энергию извне. Именно это и происходит в результате соударения, например, двух протонов — в среднем половина энергии столкновения уходит на образование новых адронов. Эта энергия в основном и расходуется на формирование реальных частиц.

Итак, получается, что во внешней оболочке протона свободные кварки практически отсутствуют, хотя в центре нет ничего, кроме кварков. Видимо, законы взаимодействия кварков устроены таким образом, что сами кварки просто не могут поодиночке выходить наружу. Например, очень велика вероятность того, что кварк, попытавшийся вырваться из адрона самостоятельно, просто будет захвачен и увлечен в кварковое море одной из частиц внешней оболочки. Оказывается, что эта вероятность велика настолько, что отдельный кварк не способен пройти без захвата расстояние порядка размера протона, то есть не может выскочить наружу в виде реальной частицы.

Вот как хитро может быть устроена «адронная темница» для кварков! Кварк словно мощной резиновой лентой привязан к другим кваркам.

Действительно, валентные кварки практически движутся свободно в центре адрона. В кварковом море взаимодействие между ними тоже не очень сильно. Но оно резко усиливается, когда какой-либо кварк пытается отойти от других на большое расстояние. Силы, действующие между кварками, могут стать столь же большими, как и силы, действующие между адронами, если не больше! И такой кварк просто не сможет прорваться сквозь плотную среду виртуальных адронов внешней оболочки.

Теперь длительный неуспех в поисках реальных кварков может показаться не столь уж удручающим. Они могут быть полностью или почти полностью заперты в адронах и тем не менее рассматриваться… как реальные частицы.

Нет ли здесь противоречия? Как можно считать реальными частицы, которые не то что не оставляют следов, но и вообще не способны выделиться в чистом виде? Что за необычные силы могут действовать между кварками?..

И вправду, накопилось множество вопросов, которые связаны с новыми представлениями, сформировавшимися в физике буквально за последнее десятилетие. Пора обсудить, что же нового мы можем сказать сегодня о законах сил, действующих между частицами, и о том, какие частицы и в каком смысле следует считать реальными…

Итак, основная проблема связана с пониманием природы сил, действующих между частицами и внутри частиц.

Современная физика имеет дело с четырьмя различными типами взаимодействия, которые резко отличаются по интенсивности — сильными, электромагнитными, слабыми и гравитационными. Начнем с конца.

Гравитационные взаимодействия определяют структуру планетных систем, галактик и, видимо, вселенной в целом, но в микромире они практически не заметны. Во всяком случае, считается, что на данном этапе исследования процессов с элементарными частицами этими силами можно пренебречь.

Три остальных типа взаимодействия, несомненно, играют существенную роль в устройстве микромира, но до настоящего времени ни одно из них не получило последовательной и удовлетворительной теоретической трактовки. Причины такого положения дел очень интересны и отнюдь не лежат на поверхности.

В каждый период развития физики формировался определенный эталон в понимании механизма взаимодействия.

До недавнего времени таким эталоном в физике микромира, несомненно, была квантовая электродинамика — квантовая теория взаимодействия элементарных электрических зарядов с электромагнитным полем. Эта теория приобрела несколько выделенное положение отчасти по наследству благодаря хорошему развитию классической электродинамики.

Сильные и слабые взаимодействия элементарных частиц были открыты и подверглись глубокому исследованию значительно позже, чем электромагнитные. Поэтому естественно, что именно электродинамика стала первым своеобразным эталоном для построения любой другой теории.

Взаимодействие согласно квантовой электродинамике осуществляется при испускании или поглощении квантов электромагнитного поля — фотонов — электронами или другими электрически заряженными частицами. Таким образом, в простейшем случае взаимодействие между двумя заряженными частицами происходит за счет обмена фотоном. В принципе возможен обмен и не одним, а двумя, тремя и большим количеством фотонов, но такие процессы будут менее вероятны. Вероятность испускания каждого фотона приближенно характеризуется безразмерной величиной, которая равна отношению квадрата элементарного электрического заряда (e) к произведению постоянной Планка (h) на скорость света (c):

Эта чрезвычайно важная физическая величина часто называется константой связи электромагнитных взаимодействий.

Тот факт, что она мала по сравнению с единицей, значительно облегчает все расчеты в квантовой электродинамике и упрощает конкретные модели тех или иных процессов. Благодаря малости константы связи теоретикам удалось построить хорошие методы расчета различных наблюдаемых характеристик электромагнитных взаимодействий, и их результаты на сегодняшний день превосходно согласуются с экспериментальными данными.

Казалось бы, если есть такое согласование, то все хорошо. Но теоретики на этом не остановились — они решили проверить, сохранится ли столь приятная картина и в дальнейшем, то есть при переходе к сколь угодно малым расстояниям, на которых происходит взаимодействие. Исследуя эту проблему, советские физики Л. Ландау, И. Померанчук и другие пришли к неутешительному выводу, что квантовая электродинамика в ее современной форме вообще неприменима к описанию процессов, происходящих с участием бесструктурных точечных электронов на очень малых расстояниях. Конкретно их результаты сводились к весьма парадоксальному положению: при попытке описать поведение зарядов и квантов электромагнитного поля в очень малых областях пространства оказывалось, что взаимодействие на больших расстояниях… исчезает!

Конечно же, этот факт противоречит известным результатам наблюдений и должен рассматриваться как своеобразный способ доказательства «от противного», доказательства того, что электродинамика не является полностью удовлетворительной теорией и должна быть существенно изменена для описания процессов при очень высоких энергиях и на очень малых расстояниях. В чем же суть полученных противоречий?

А в том, что представления электродинамики требуют рассмотрения особого типа объектов — виртуальных частиц.

Виртуальные частицы обычно имеют те же названия, что и реальные, скажем, фотоны или электроны, но обладают одним важным свойством, отличающим их от реальных частиц, — они испускаются и поглощаются непосредственно в микроскопически малой области взаимодействия и никогда не вылетают наружу и не регистрируются макроскопическими приборами. Скажем, электрон в процессе движения может как бы взаимодействовать сам с собой, испуская и тут же поглощая фотоны. В свою очередь, фотон может превратиться в пару, состоящую из электрона и позитрона, которые сразу же, вслед за образованием, снова аннигилируют, превращаясь в фотон.

Благодаря этим процессам реальный электрон должен непрерывно излучать и поглощать фотоны: он словно одевается в своеобразную «шубу» из виртуальных фотонов и электрон-позитронных пар. Чем глубже мы пытаемся проникнуть к центру электрона, тем более плотной становится его «шуба». На достаточно больших расстояниях электрон выглядит как точечный объект, несущий определенный электрический заряд. Но когда мы попытаемся узнать заряд «голого» электрона, без всякой «шубы» из виртуальных частиц, то есть настоящего точечного электрона, то окажется, что этот заряд бесконечно большой.

Такое положение крайне неудовлетворительно. Ведь физика всегда имела дело с зарядами, обладающими конечными — пусть очень большими, но конечными! — значениями. А тут получается совершенно неприемлемое бесконечное значение. Можно ли избежать этой неприятности?

Оказывается, можно, но весьма дорогой ценой. Можно просто считать, что электрический заряд «голого» электрона, для которого как бы не существует взаимодействия с фотонами, имеет конечное значение. Но тогда неизбежно получается, что заряд реального электрона вообще должен быть равен нулю и тогда он не сумеет взаимодействовать с фотонами и другими зарядами. Такая картина формально допустима, но она противоречит известному факту — реальные электроны все-таки имеют заряды.

Итак, в любом случае — конечен заряд «голого» точечного электрона или бесконечен — мы приходим к неприемлемой картине.

Несмотря на довольно сложный характер теории, причина всех трудностей довольно проста и наглядна.

Обсудим следующий пример. Пусть в вещество, где существует равное количество положительных и отрицательных зарядов, вводится новый, скажем для определенности, отрицательный заряд. При этом равновесие между различными зарядами вещества, конечно, нарушится. Новый заряд начнет притягивать к себе заряды противоположного знака, то есть положительные. Постепенно вблизи него будут накапливаться положительные заряды, в конце концов он окажется как бы заэкранированным и его действие на остальные заряды вещества практически прекратится.

Нечто подобное происходит и с «голым» электроном. Веществом, которое его экранирует, являются как раз виртуальные частицы, которые неизбежно появляются при учете взаимодействия. Квантовая электродинамика позволяет оценить эффективность этой экранировки, и оказывается, что заряд экранируется бесконечно сильно! Поэтому неудивительно, что, приписав «голому» электрону конечный электрический заряд, мы приходим к выводу, что этот заряд полностью экранируется «шубой» реального электрона, который и должен наблюдаться на опыте. И получается неприятный результат — этот реальный электрон должен выглядеть как частица с нулевым электрическим зарядом!

Чтобы прорвать бесконечно сильную экранировку, разумеется, необходимо приписывать «голому» электрону бесконечно большой заряд, что, как мы уже видели, тоже неудовлетворительно.

Вот с такими трудностями пришлось столкнуться теоретикам при попытке проверить применимость квантовой электродинамики к описанию процессов в сколь угодно малых областях пространства. Эти трудности и заставили их искать новый подход к описанию взаимодействий на малых расстояниях.

Но, прежде чем было достигнуто такое понимание проблемы, теоретики успели проделать довольно большую работу по построению моделей слабых и сильных взаимодействий по образцу квантовой электродинамики.

Как вы помните, первой моделью слабых взаимодействий оказалась теория бета-распада, предложенная Э. Ферми. Согласно этой теории нейтрон трансформировался в протон, излучая пару: электрон и антинейтрино. Э. Ферми в значительной степени исходил из аналогии с квантовой электродинамикой, но в его теории место фотона как бы занимала пара, состоящая из лептона и антилептона. Впоследствии его идея была расширена и позволила описать все распады сравнительно долгоживущих частиц как проявление некоторого универсального слабого взаимодействия.

Характерной особенностью этой теории является следующее представление: четыре частицы — барионы или лептоны — непременно взаимодействуют в одной точке, то есть в непосредственном контакте друг с другом. С помощью такого представления можно описать и распады частиц, и их рассеяние. Скажем, отрицательно заряженный мюон способен распадаться на электрон и пару, состоящую из электронного антинейтрино и мюонного нейтрино. В данном случае взаимодействие выглядит как контакт четырех лептонов. Это же представление позволяет описать и другой процесс, например, столкновение мюона с электронным нейтрино. В результате этого столкновения должны образоваться электрон и мюонное нейтрино.

В случае бета-распада взаимодействие выглядит как контакт двух барионов и двух лептонов. И опять на основе этого же представления можно было описать другие типы процессов, например, рассеяние электронного нейтрино на нейтроне, в результате которого возникал протон и электрон.

Обратите внимание на то, что в обоих случаях описания рассеяния возникает четкая закономерность превращения заряженных частиц в незаряженные и наоборот. Заряженный мюон трансформируется в мюонное нейтрино, а электронное нейтрино — в электрон. Или: нейтрон трансформируется в протон, а электронное нейтрино — опять-таки в электрон.

Такая же закономерность наблюдается и во всех остальных известных процессах слабого взаимодействия. Отсюда и родилась интересная гипотеза: а не осуществляется ли слабое взаимодействие за счет обмена особым квантом, который как бы переносит заряд при взаимной трансформации заряженных и нейтральных частиц.

Гипотетическая частица, которую называют дубль-вэ-мезоном, или дубль-вэ-бозоном, должна быть очень тяжелой — в несколько раз тяжелее протона — и нести положительный или отрицательный электрический заряд.

А как быть в том случае, когда слабое взаимодействие осуществляется без переноса какого-либо заряда, например, когда нейтрино упруго рассеивается на электроне? Такого типа события долгое время вообще не наблюдались, но недавно было установлено, что они все-таки происходят.

Механизм такого взаимодействия может быть обусловлен еще одной гипотетической частицей зэт-мезоном (или зэт-бозоном), не несущей электрического заряда.

Если гипотетические частицы дубль-вэ- и зэт-мезоны будут открыты, то картина слабых взаимодействий станет очень похожа на электродинамическую картину. Существенная разница между ними будет обусловлена лишь различными свойствами этих мезонов и фотона. Действительно, масса фотона равна нулю, из-за этого электромагнитные взаимодействия обладают бесконечным радиусом действия. Гипотетические же переносчики слабых взаимодействий должны иметь очень большие массы, и поэтому радиус действия слабых сил должен быть очень мал, по-видимому, не более 10^-15 сантиметра. Кроме того, фотон нейтрален, а дубль-вэ-мезоны способны нести заряд.

То, что эти частицы еще не открыты, связывается обычно с большой величиной их массы. Пока слабые взаимодействия, которые в чистом виде можно исследовать только с помощью нейтринных пучков, изучались в недостаточно широком интервале энергий, и в будущем мы можем надеяться на открытие дубль-вэ- и зэт-частиц.

К сожалению, модели слабого взаимодействия с гипотетическими мезонами или без них оказались еще хуже того образца, по которому они строились. В этих моделях вообще нельзя было последовательно описать процессы с участием виртуальных частиц. И такое положение в теории слабых взаимодействий сохранялось до недавних пор.

По аналогии с квантовой электродинамикой пытались строить и теорию сильных взаимодействий. Как вы помните, первоначальная идея X. Юкавы состояла в том, что сильные взаимодействия осуществляются при испускании и поглощении пи-мезона. Пи-мезон должен был играть такую же роль, что и фотон в электродинамике. Впоследствии, после открытия ка-мезонов и резонансов, эта идея несколько расширилась, но оказалась все равно не слишком последовательной.

Беда в том, что интенсивность сильных взаимодействий примерно в 1000 раз больше, чем электромагнитных, то есть константа связи типа «альфа» в данном случае больше единицы. Из-за этого получалось так, что все неприятности, которые в электродинамике были спрятаны на фантастически малых расстояниях, теперь уже должны были проявиться на расстояниях, вполне доступных эксперименту.

Расчеты по «квантовой мезодинамике» — так называлась квантовая теория взаимодействия мезонов и нуклонов — не объясняли наблюдаемых закономерностей. С другой стороны, экспериментальные работы по физике сильных взаимодействий развивались в послевоенный период чрезвычайно быстро. Ведь именно сильные процессы наиболее удобны для наблюдений — у них очень высокая интенсивность, и подавляющее большинство событий, возникающих при падении пучка ускоренных протонов на мишень, как раз и происходит за счет сильных взаимодействий. Неуспех электродинамики в качестве эталона теорий породил стремление к созданию новых идей, неизвестных физике прошлого.

В начале 60-х годов некоторые физики выступили с весьма красивой и необычной программой «ядерной демократии». Пожалуй, наиболее активным сторонником этой программы оказался американский теоретик Дж. Чью, ученик Э. Ферми, сделавший очень много для ее развития и разъяснения основных ее путей.

А идеи эти были таковы. Среди адронов нет выделенных частиц; все они равноправны, неэлементарны и представляют собой просто различные состояния адронной материи.

В этом пункте идеи «демократии» наблюдаемых адронов полностью согласовывались с точкой зрения сторонников, скажем, кварковой модели, которые тоже считали адроны неэлементарными и равноправными. Но в дальнейшем пути расходились. Настоящая «ядерная демократия» отвергала всякие попытки представить адроны как различные «кварковые атомы».

Общая философия Дж. Чью и многих других физиков, разделявших его позиции, состояла в том, что эпоха безграничного атомизма кончилась, и гипотезы атомоподобного устройства адронов следует сдать в архив. Основной базой служил, разумеется, простой факт — раз никаких составляющих частей, субэлементарных частиц или кварков ни в одном из многочисленных опытов выделить не удалось, то имеет ли смысл в таком случае говорить об устройстве адронов из каких-то особых привилегированных частиц? Не проще ли считать, что адронная часть микромира основана на демократических принципах, то есть реальные адроны как бы сами устанавливают законы своего бытия?

В положительном ответе на этот вопрос и заключалась главная идея нового подхода к построению адронов. Они должны реализоваться в природе такими, как мы их наблюдаем, за счет определенных сил, обусловливающих их существование. Но так как эти силы, в свою очередь, проявляются в процессах рассеяния адронов, то переносчиками этих сил опять-таки являются сами адроны. Если на основе такого представления удалось бы правильно рассчитать все параметры адронов — массы, времена жизни — и правильно описать их поведение в различных реакциях, то, конечно, не потребовалось бы никаких дополнительных идей и теорий о внутренней их структуре, в частности о кварках.

Самое интересное состоит в том, что на ряде частных примеров теоретикам удалось показать, что существование отдельных частиц действительно взаимообусловлено. Такая процедура получила название бутстрэп (по-русски — просто зашнуровка). Адроны как бы шнуровали друг друга, заставляя появляться нужные для собственного существования другие адроны именно с теми значениями масс, которые и наблюдались на опыте.

Очень важно, что в этом подходе унитарные симметрии получали естественное толкование. Отдельные группировки частиц (по 8 и по 10) оказывались опять-таки взаимосогласованными. Таким образом, симметрия возникала как определенное следствие характера сил, действующих между адронами. И никаких кварков для ее объяснения вроде бы и не требовалось.

Идеи «ядерной демократии» и зашнуровки сыграли весьма положительную роль, хотя и не привели к построению полной теории сильных взаимодействий.

Эти идеи столкнулись с трудностями и внешними и внутренними.

Внешние нарушали традицию, полностью отвергая методы квантовой теории поля. Поэтому заведомо в схему нового подхода нельзя было вписать ни фотон, ни лептоны.

Что же касается внутренних проблем этого подхода, то они как раз и привели к его постепенному отступлению. Дело в том, что свойства адронов нельзя вывести, только изучая закономерности реакций между ними при низких энергиях. Если же учитывать и закономерности реакций при высоких энергиях, то ситуация резко усложняется. Скажем, основную роль начинают играть процессы множественного рождения адронов, и тут приходится искать совершенно новые пути описания…

Но, конечно, решающей трудностью для программы всеобщей зашнуровки адронов оказались эксперименты по зондированию глубоких областей адрона. Партоны не были предусмотрены чисто «демократической» теорией. На ее основе было бы понятно, если бы адроны продолжали оставаться рыхлой облакообразной структурой вплоть до самых малых расстояний. В той картине устройства протона, которую мы обсуждали в предыдущем разделе, это соответствовало бы существованию одной-единственной внешней оболочки, которая заполнила бы собой весь объем протона!

Что делать, природа хитрей наших самых хитроумных проектов…

Однако в некоторых отношениях идеи «ядерной демократии» оказались, безусловно, полезны. Именно в борьбе с кварковой моделью сторонники нового подхода четко выяснили, что реальные кварки, если бы они были найдены, принесли бы теоретикам не только радость, но и множество трудностей. Они оказались бы опять-таки сложными адронами со всеми вытекающими отсюда последствиями. И снова возник бы вопрос: а из чего состоят кварки?

Это заставило сторонников кварковых моделей активно исследовать возможности запирания кварков — надо ведь как-то объяснить отсутствие их на опыте! И согласитесь, что протон как «кварковый атом» выглядит весьма необычно — вовсе не так, как его представляли себе во времена первых составных моделей. На структуру обычного знакомого нам атома, состоящего из ядра и вращающихся вокруг него электронов, эта картина похожа очень мало — вроде бы атом, но вывернутый наизнанку…

В общем, если говорить о какой-то единой атомистической концепции, то приходится признать, что она испытала за последнее десятилетие стремительное развитие.

Быть может, допуская некоторое преувеличение, стоит отметить, что «атомарное» устройство протона примерно настолько же сложнее атома Бора, насколько атом Бора сложней атома Демокрита. Это замечание, конечно, не связано с определением какой-то строгой геометрической пропорции между сложностью конкретных физических моделей. Но оно могло бы вызвать такое недоумение — ведь Демокритов атом рассматривался еще в доньютоновскую эпоху, и его структура представлялась в чисто механических образах, причем законы механики еще не были как следует поняты, не были известны фундаментальные силы… Атом Бора как модель возник уже через двести лет после создания новой физики, когда были известны и законы механического движения, и закон Кулона для силы взаимодействия между электроном и ядром, причем законов обычной механики для описания атома оказалось недостаточно… Неужели кварковая структура протона вносит существенно новые моменты в современную теорию?

В том-то и дело, что вносит! И пока мы еще далеко не полно представляем себе всю новизну положения. Но два момента в этой ситуации уже можно четко отметить.

Во-первых, мы вынуждены вводить в рассмотрение особый класс реальных объектов: кварки-партоны. Эти объекты, как мы их понимаем в настоящее время, совершенно необычны и не имеют предшественников в физике. Они являются элементами структуры адронов, но не могут быть выделены в качестве отдельных частиц, подобно другим элементарным частицам. Можно ли их все-таки считать реальными объектами? Это, как вы помните по обсуждению реальности резонансов, в известном смысле вопрос договоренности. Ведь и резонансы в свое время мы считали чем-то менее фундаментальным, чем стабильные адроны и не очень-то спешили объявить их особым типом элементарных частиц.

Кварки-партоны не способны оставить макроскопический след в веществе, подобно протону или пи-мезону; они не приводят и к таким перераспределениям наблюдаемых следов, как известные резонансы. В этом смысле они ненаблюдаемы и вряд ли будут наблюдаться в будущих экспериментах.

Однако кварки-партоны можно «увидеть» с помощью частиц, обладающих только слабыми и электромагнитными взаимодействиями. Эти частицы — фотон, нейтрино, электрон, мюон — способны проникнуть сквозь внешние оболочки адрона и провзаимодействовать непосредственно с его «кварковым атомом». Более того, один адрон тоже способен «увидеть» структуру другого адрона при взаимодействии на малых расстояниях, когда валентные кварки непосредственно рассеиваются друг на друге.

В отличие от других частиц кварк-партон не должен иметь определенного значения массы — это в высшей степени нестабильное образование. Его масса может иметь совершенно произвольное, случайное значение, зависящее от условий, в которых он находится.

Это не столь уж и удивительно, если учесть, что только у абсолютно стабильных частиц масса определена абсолютно точно. У некоторых короткоживущих резонансов погрешность в определении массы достигает 10 и более процентов. По-видимому, в случае кварков-партонов мы имеем дело с объектами, у которых погрешность в определении массы практически достигает 100 процентов и о какой-то одной определенной массе их говорить не имеет смысла. Единственные четко определенные величины, которые можно приписать кваркам-партонам, — различные заряды. В этом плане они как бы определены по одному свойству: иметь определенные электрический, барионный заряды, «странность» и «очарование».

Во-вторых, силы, действующие между кварками-партонами, весьма необычны. Они должны не убывать с ростом расстояния между ними, а, наоборот, возрастать. Такое представление противоречит привычным для нас понятиям о фундаментальных силах, которые известны уже давным-давно из теории тяготения и из электродинамики. Со школьных лет мы знаем, что закон Ньютона для тяготеющих масс и закон Кулона для взаимодействующих зарядов определяют силы, которые обратно пропорциональны квадрату расстояния между частицами. Еще быстрее убывают с ростом расстояния слабые и сильные взаимодействия между частицами, силы, открытые уже в нашем веке.

На малых расстояниях все эти силы чрезвычайно велики и становятся бесконечно интенсивными в пределе нулевых расстояний, то есть при непосредственном контакте точечных частиц.

Такое представление о характере фундаментальных сил стало своеобразным эталоном, и во многом благодаря успехам квантовой электродинамики. Но, как вы помните, сама квантовая электродинамика оказалась непригодной при исследовании процессов взаимодействия на малых расстояниях.

Поэтому физики стали активно искать новый эталон квантовой теории, который можно было бы использовать в таких условиях, когда электродинамика становится непригодной.

Еще в 1954 году американские теоретики Ч. Янг и Р. Миллс заинтересовались такой проблемой: что будет, если, скажем, изотопическая симметрия между протоном и нейтроном выполняется в каждой точке пространства и в каждый момент времени? Оказалось, что для соблюдения такой симметрии необходимо, чтобы существовало особое калибровочное поле, кванты которого и позволяют переносить взаимодействие между почти сохраняющимися зарядами — изотопическими спинами. Это калибровочное поле играло для указанного заряда примерно ту же роль, что электромагнитное поле — для электрического заряда.

Общая идея состояла в том, что любому точно или приближенно сохраняющемуся квантовому числу можно сопоставить определенное калибровочное поле, подобно тому, как сохраняющемуся электрическому заряду можно сопоставить электромагнитное поле. В сущности, физики хотели устранить явное неравноправие в семействе сохраняющихся квантовых чисел — зарядов. Ведь электрический заряд выступает как бы в двух ролях одновременно — он, во-первых, сохраняется и, во-вторых, характеризует собой определенное взаимодействие. Не является ли электромагнитное поле простейшим частным случаем калибровочных полей и нельзя ли каждому сохраняющемуся квантовому числу придать дополнительную роль заряда, взаимодействующего со своим особым калибровочным полем?

Такие вопросы встали перед физиками. В процессе более чем 20-летнего исследования различных калибровочных полей они и столкнулись с интересным явлением. Оказалось, что калибровочные поля, обладающие высокой симметрией, во многом отличаются от электромагнитного поля.

Например, на очень малых расстояниях соответствующие заряды могут обращаться в нуль, а на конечных расстояниях иметь вполне конечное значение. Это прямо противоположная ситуация по сравнению с электродинамикой! Получается, что заряд не ослабевает из-за экранировки виртуальными частицами, а, напротив, усиливается благодаря такой экранировке. А на малых расстояниях взаимодействие между частицами вообще исчезает.

Столь необычайный результат связан с такими свойствами калибровочных полей с высокой симметрией, которые не могут возникать в простейшем их случае у электромагнитного поля. Оказалось, что кванты сложных калибровочных полей способны непосредственно взаимодействовать друг с другом, тогда как фотоны не могут участвовать в таком взаимодействии — обычный свет «не светится», то есть не порождает новые фотоны.

Калибровочные же кванты способны «светиться» — они охотно порождают новые калибровочные кванты, и именно из-за такого дополнительного взаимодействия возникает необычная антиэкранировка точечного заряда.

Ясно, что такие замечательные свойства калибровочных полей немедленно привлекли внимание теоретиков, пытавшихся объяснить природу межкварковых сил. Кванты калибровочных полей — их и назвали глюонами — должны были сыграть роль удивительного клея, который позволяет кваркам чувствовать себя совершенно свободно внутри адрона, но не отпускает их далеко друг от друга. Теория взаимодействия всех цветных кварков и глюонов получила название квантовая хромодинамика (по-русски — цветодинамика). Она созвучна квантовой электродинамике, пожалуй, только по названию, поскольку свойства глюонов намного сложней, чем свойства фотонов.

Так сформулировалась современная картина строения адронов.

Не стоит, конечно, полагать, что она ясна целиком и полностью. Природа глюонов и, следовательно, сил, действующих между кварками, еще во многом непонятна, и потребуется еще огромная работа теоретиков и экспериментаторов, чтобы детально выяснить все закономерности.

Хотелось бы верить, что в принципе принятая здесь схема строения адрона выглядит правильно. Но не исключено и другое, что между этой схемой и теорией адронов лежит область новой физики, подобно тому, как между моделью атома Резерфорда — Бора и современной теорией атома пролегла квантовая теория со всеми ее необычными представлениями…

Что же делать с эталонами, которые оказываются вовсе не эталонами? Как быть с аналогиями, которые подчас толкают нас по неверному пути?

Ответ может быть только один — надо работать, всегда искать новые возможности. Нравится нам это или нет, только новое не рождается из благих пожеланий и из простого созерцания. Оно создается нашими руками и по нашим проектам.

Важно представлять себе и то, что материалом для создания нового всегда является старое.

Можно тысячекратно объявлять эталоны реакционными пережитками, но это хорошо лишь постольку, поскольку служит стимулом для создания новых эталонов. А создать новый эталон — дело очень сложное.

На начальном этапе всегда приходится заимствовать готовую аналогию и приспосабливать ее к новой области явлений. Скажем, модель электромагнитных взаимодействий приспосабливалась к описанию сильных процессов. В ней делались изменения, и она сама преобразовывалась. Оказалось, что в чем-то она применима, а в чем-то нет. И начинается мучительный процесс перестройки, привлечения других аналогий. Например, в физике адронов пришлось использовать несколько первоначально далеких друг от друга аналогий из других областей — вспомните хотя бы три картины строения адрона.

Одновременно физики учатся — да, да, именно учатся. Они создают новые математические методы анализа микромира, готовят новые экспериментальные средства.

И все эти факторы взаимодействуют между собой. Новые уравнения открывают новые возможности в объяснении наблюдаемых закономерностей. Новые эксперименты привлекают внимание к таким проблемам, на которые раньше не обращали внимания.

Постепенно совокупность старых аналогий, пересаженная на почву новых фактов, настолько преобразовывается, что наступает момент появления новой теории. В сущности, не момент, а какой-то промежуток времени, до которого наблюдалось как бы хаотичное движение противоречивых идей, а после него — упорядоченное представление еще об одной области знания…

Рискуя показаться отчаянным оптимистом, скажу, что в физике адронов мы уже вступили в такой промежуток. Но как близок твердый берег хорошей теории?

На этот вопрос ответить пока невозможно — все-таки мы плывем по незнакомому океану…

У человека, приступающего к изучению теории любых взаимодействий, всегда создается впечатление, что упругое рассеяние частиц — простейший из простых процессов. Ведь в упругом рассеянии никакие внутренние свойства частиц не изменяются, в результате реакции получаются такие же частицы, какие были до нее.

В самом деле, гораздо проще исследовать, скажем, соударение двух обычных бильярдных шаров, которые все время остаются теми же бильярдными шарами. Лишь в момент соприкосновения они слегка деформируются, чтобы немедленно восстановить свою форму. Вообразим теперь такое положение, когда в результате удара один или оба шара способны рассыпаться на несколько таких же бильярдных шаров, причем этот развал происходит довольно часто, в большом числе случаев.

Физик сказал бы по поводу таких столкновений, что процесс размножения шаров происходит с большой вероятностью, и стал бы немедленно ставить точные опыты, чтобы выяснить, с какой именно вероятностью рождается один дополнительный шар, два дополнительных шара и т. д.

Предположим теперь, что физик узнал все необходимое и натолкнулся на такую любопытную ситуацию. Шары могут охотно рождаться, но все-таки некоторый небольшой процент событий — это чисто упругое рассеяние. И вот вероятность простейшего процесса — упругого рассеяния — оказывается каким-то образом связанной с тем, как ведут себя неупругие реакции, то есть те, в которых рождаются новые шары.

Продолжая свои опыты и осмысливая их теоретически, физик наконец находит закон действия сил между шарами. Иными словами, он определяет форму потенциальной энергии взаимодействия и теперь уже может теоретически рассчитать поведение шаров в результате упругого соударения. И при этом первоначальные подозрения о какой-то связи между упругими и неупругими реакциями превращаются во вполне конкретный факт. Оказывается, что потенциальная энергия взаимодействия между двумя шарами почти полностью определяется процессами «множественного рождения» шаров.

Создается довольно странная, с точки зрения привычной физики, ситуация — свойства самой простой реакции сильно зависят от свойств гораздо более сложных реакций, где могут участвовать многие объекты. Очевидно, все дело в необычности воображаемых шаров, столкновение которых мы обсуждаем. Эти шары охотно разваливаются при соударении и наверняка представляют собой сложные объекты. В момент, когда они сталкиваются и снова разлетаются, то есть взаимодействуют только упруго, они все равно чувствуют сложную структуру друг друга. И в конце концов не столь уж и удивительно, что силы, которые проявляются в таком упругом соударении, сильно зависят от внутреннего устройства этих шаров, от того, каким образом они могут разваливаться на отдельные части…

Вся притча о шарах служит нам, конечно, лишь целям наглядности. Обычные бильярдные шары ведут себя обычным образом, так, как и положено механическим объектам. А описанные здесь воображаемые опыты просто воспроизводят свойства сильновзаимодействующих частиц — адронов.

Сильные взаимодействия, в сущности, потому и называют сильными, что участвующие в них частицы способны интенсивно рождаться. И чем выше энергия сталкивающихся адронов, тем больше в среднем рождается новых адронов. Например, при самых высоких энергиях столкновения протонов, достигнутых в ЦЕРНе (2000 ГэВ), рождается в среднем более десяти только заряженных частиц.

Адроны способны упруго рассеиваться друг на друге. Например, протоны примерно в 20 процентах всех событий при высоких энергиях испытывают именно упругое соударение. Но остальные 80 процентов относятся совсем к иному типу процессов — процессам «множественного рождения». Это и означает, что вероятность образования некоторого числа новых адронов очень велика, и поэтому физики часто говорят, что «множественное рождение» представляет собой главное явление, основной тип реакций с участием адронов.

В 1963 году советские теоретики А. Логунов и А. Тавхелидзе показали, что упругое рассеяние адронов можно описать уравнением, которое представляет собой прямое обобщение уравнения Шредингера на случай движения очень быстрых частиц. Оказалось, что потенциальная энергия взаимодействия адронов действительно определяется в основном множественными процессами.

Большая интенсивность «множественного рождения» служит практически сильнейшим доказательством сложного внутреннего строения адронов.

В свое время Ч. Янг предложил такую наглядную картину. Упругие реакции между адронами возможны главным образом в том случае, когда сталкивающиеся адроны испытывают сравнительно слабый взаимный удар, то есть передают друг другу малый импульс и незначительно меняют направление движения, говорил он. События, в которых происходит передача большого импульса, крайне редки, и дело здесь в том, что адронам просто трудно передать друг другу большой импульс, сохранив свою целостность. Скорее всего они должны просто разваливаться на отдельные части — фрагменты, которые представляют собой не что иное, как обычные адроны. Адрон, не развалившийся при сильном ударе, — редкое явление!

Действительно, например, каждый из сталкивающихся протонов как бы насыщен мезонами, резонансами, парами барион — антибарион, которые охотно появятся в виде реальных частиц, если при соударении исходных протонов выделится достаточно большая энергия.

В 1969 году Ч. Янг со своими сотрудниками построили модель «множественного рождения» адронов, основанную на представлениях о фрагментации сталкивающихся адронов. В результате соударения, скажем, протона-снаряда и протона-мишени каждый из них как бы рассыпается на части — фрагменты, главным образом мезоны. Именно такой механизм образования частиц авторы считали главным. В сущности, он очень похож на способ множественного рождения шаров, который мы рассматривали в примере с необычными бильярдными шарами.

Через некоторое время Р. Фейнман внес важные изменения в эту картину. Фрагментация протона-снаряда и протона-мишени, конечно, существует отметил он, но адроны, которые возникают как фрагменты сталкивающихся протонов, не являются определяющими. Главный механизм «множественного рождения» заключается в образовании большого числа сравнительно медленных частиц, в основном пи-мезонов, которые отнюдь нельзя считать фрагментами сталкивающихся протонов.

Явление, связанное с образованием таких сравнительно медленных частиц, получило название пионизации. Если попытаться пояснить его на основе простой картины сталкивающихся и размножающихся шаров, то придется привлекать весьма необычные представления.

Оказывается, что в результате соударения воображаемые бильярдные шары могут не только разваливаться на фрагменты, но и как бы сбрасывать с себя часть массы. Такие порции от каждого из шаров на небольшое время слипаются и образуют особый объект, который уже нельзя считать частью одного из шаров. Через некоторое время этот своеобразный объект распадается на новые шары.

Так что чем дальше, тем больше необычных свойств приходится приписывать этим бильярдным шарам. Это лишь подчеркивает, насколько далеки привычные механические объекты от того, что наблюдаются в микромире!

Существование фрагментации и пионизации было доказано экспериментально, однако наблюдаемая картина «множественного рождения» адронов оказалась значительно сложнее, чем предполагалось в фейнмановской модели.

Например, исследователи установили, что образующиеся адроны обладают сильной взаимосвязью, иными словами, акты рождения каждой частицы ни в коем случае не являются независимыми друг от друга. Вероятность появления каждого нового адрона зависит от числа уже образовавшихся адронов, причем чем больше их появилось, тем охотней рождаются новые.

Это свойство нельзя понять, не привлекая представлений о каких-то единых образованиях из очень большого числа адронов, которые могут появляться хотя бы на очень малое время в результате соударения.

Идеи о возможном появлении таких единых образований — своеобразных сгустков адронной материи — возникли довольно давно и были связаны с особой точкой зрения на природу «множественного рождения».

Впервые эта точка зрения была сформулирована Э. Ферми еще в 1950 году. В результате соударения протонов возникает чрезвычайно раскаленный сгусток вещества, считал он. Этот сгусток образуется очень быстро и очень быстро разогревается до огромных температур, поскольку вся энергия столкнувшихся протонов выделяется в микроскопически малом объеме пространства. Сразу же после образования сгусток начинает интенсивно распадаться на адроны, излучать их, подобно тому, как раскаленное тело излучает свет, то есть поток фотонов, и излучает до тех пор, пока не высветит всю свою энергию.

Советский физик И. Померанчук заметил в модели Э. Ферми один весьма странный момент: сгусток начинал распадаться на реальные адроны сразу же после соударения. При этом вещество сгустка было сжато до чрезвычайно высоких плотностей, и трудно было предположить, что в такой ситуации появится хоть один реальный адрон. Гораздо естественнее считать, что сгусток сначала должен расшириться и охладиться, а уже после этого он распадется на реальные адроны.

Модель И. Померанчука, которую впоследствии развил другой советский теоретик, Е. Фейнберг, не сразу нашла себе применение. Трудно было согласовать ее с данными наблюдений в предположении, что весь процесс в целом выглядит так, как предписывает эта модель. Однако образуются ли раскаленные сгустки адронного вещества, к описанию распада которых ее и следовало применять?

В 1958 году группа краковских физиков под руководством М. Менсовича исследовала события, вызванные частицами космических лучей в стопках фотоэмульсионных пластинок, побывавших в стратосфере. При энергии налетающей частицы порядка 1 ТэВ (тысяча миллиардов электрон-вольт) были обнаружены любопытные процессы образования двух группировок вторичных мезонов, вылетающих в противоположных друг другу направлениях. После всех необходимых расчетов получалась такая картина, словно эти мезоны происходят от распада каких-то сгустков адронной материи, причем характеристики распада были очень похожи на те, которые встречались в уже упомянутой модели равновесного излучения фотонов раскаленными телами. Отсюда и появилась идея, что в экспериментах обнаружены сверхгорячие объекты с температурой порядка триллиона (10¹²) градусов, которые распадаются за очень малое время на 10–12 мезонов.

У М. Менсовича и его сотрудников этот объект, по-видимому, ассоциировался с образом известной шаровой молнии — компактным, но крайне неустойчивым комком высокотемпературной плазмы, который иногда образуется во время грозы и наводит ужас на очевидцев своими причудливыми передвижениями. Этот сгусток так и был назван файрбол (огненный шар).

Впоследствии такого типа события регистрировались «космиками» неоднократно, и наиболее выдающиеся файрболы даже получали свои имена. Не так давно, в 1971 году, был сфотографирован гигантский ливень, названный «Андромеда» — основное почернение фотопластинки напоминало контурами изображение туманности Андромеды и имело средний диаметр свыше 3 сантиметров. Согласно расчетам ливень был вызван попаданием в атмосферу частицы с энергией не менее 10¹⁶ электрон-вольт.

Однако подобные единичные явления не позволяли с уверенностью говорить о существовании нового класса адронных объектов. Во-первых, всегда оставалась надежда, что при более тщательном анализе большого набора данных на ускорителях «файрбольный эффект» объяснится уже известными частицами и взаимодействиями между ними. Во-вторых, приняв гипотезу о файрболах, физики сталкивались с из ряда вон выходящими свойствами, которые даже при богатом воображении трудно было приписать какому бы то ни было частицеподобному образованию.

Такая точка зрения усилилась еще и в связи с наступлением «резонансного потопа». Резонансы, представляющие собой короткоживущие ассоциации сцепившихся вместе двух или трех адронов, позволили объяснить некоторые тонкие детали «множественного рождения», в частности, появление довольно сильных взаимосвязей между некоторыми парами и тройками образующихся мезонов. Однако, как вы помните, они были достаточно похожи на обычные адроны: обладали определенными, не зависящими от способа рождения массами и другими параметрами. У файрболов, которые должны были формироваться из гораздо большего числа мезонов (до 10), подобной устойчивости параметров не наблюдалось — получалось так, что их массы более или менее равномерно разбросаны по огромному интервалу от 1,5 до 3,5–4 ГэВ. Величина же массы существенно зависит от того, каким способом образовался файрбол.

На сегодняшний день ситуация с существованием файрболов по-прежнему не ясна. Однако есть очень веские доводы в пользу того, что именно они или объекты с очень близкими свойствами обеспечивают сильную взаимосвязь актов рождения адронов.

В общем «множественное рождение» адронов представляет собой очень сложный тип процессов. Он сложен и для экспериментального исследования, и для теоретической интерпретации.

Очень интересно обсудить этот процесс в связи с теми представлениями о структуре адронов, которые мы рассматривали в предыдущих разделах. В самом деле, наличие у реальных адронов весьма сложной структуры — одна из наиболее трудных проблем как раз для теории их образования.

Интуитивно ясно, что рождение составного объекта с развитой пространственной структурой не происходит мгновенно, как какой-то элементарный акт. Требуется определенное время, чтобы такой объект сформировался, испытал необходимую эволюцию.

Элементарный мгновенный акт рождения или гибели частицы — представление, заимствованное из атомной физики, где излучение атома рассматривается как мгновенное испускание фотона электроном. Возможно, что такая картина хороша лишь постольку, поскольку мы считаем фотон элементарной частицей.

Адрон — частица явно не элементарная, и его образование следует считать опять-таки неэлементарным актом с определенной длительностью во времени.

На первом этапе обязательно должен образоваться особый «кварковый атом», скажем, пара из кварка и антикварка — своеобразный зародыш мезона, отражающий его зарядовые характеристики. Появление «кваркового атома» может проходить очень быстро, практически мгновенно, поскольку кварки представляют собой истинно элементарные бесструктурные частицы.

Однако последующие этапы превращения зародыша в реальный адрон должны иметь некоторую длительность. «Кварковый атом» постепенно приобретает свое «кварковое море», внешнюю оболочку из виртуальных адронов, то есть «одевается» и принимает те размеры и формы, которые свойственны реальному адрону. Только после этого новая частица становится реальным адроном и покидает область взаимодействия. Вся операция по формированию адрона занимает не менее 10^-23–10^-24 секунды — за это время адрон и достигает нормальных размеров порядка 10^-13 сантиметра.

Таким образом, простая схема внутреннего устройства адрона, которую мы обсуждали ранее, одновременно отражает те стадии развития, которые должен пройти адрон в процессе рождения, является как бы экономичной формой записи программы эволюции адрона — от элементарного «кваркового атома» до реальной структурной частицы.

Все это может показаться слишком «страшным». Казалось бы, нарисована довольно ясная картина строения адрона — валентные кварки плюс две оболочки, — к чему же теперь все усложнять, называть эту структуру «записью программы эволюции»?

Что поделаешь! Усложнение здесь необходимо, и, конечно, не ради самого усложнения.

Дело в том, что картина строения адрона имеет объективный смысл тогда и только тогда, когда она верна в любой ситуации. Иначе мы вынуждены были бы рисовать множество картинок с подписями типа: «Таким видится адрон такой-то частице при таких-то условиях, а таким при таких-то».

Как вы уже успели убедиться, описание структуры частицы обязательно связано с ее поведением в определенных реакциях. Физик не может говорить о внутреннем устройстве микрообъекта, не подвергая этот микрообъект разнообразным и довольно сильным воздействиям со стороны других микрообъектов. Непосредственно в эксперименте мы наблюдаем поведение частиц только в различных реакциях с другими частицами.

На основе замеченных, подчас весьма необычных закономерностей этого поведения мы должны проделать особую реконструкцию, создать единый образ частицы, который согласуется со всеми данными наблюдений. При этом мы лишены приятной возможности отбросить все абстракции и сложные построения в сторону и просто взять и посмотреть, как же выглядят эти частицы «на самом деле». Потому что на самом деле они выглядят именно так, как… ведут себя в различных реакциях.

В этом смысле физик, изучающий микромир, находится примерно в том же положении, что и палеозоолог, пытающийся по тысячам косвенных данных восстановить внешний вид и повадки какого-нибудь ископаемого ящера. Но специалисту по древнейшей фауне легче хотя бы потому, что он имеет возможность наблюдать собственными глазами других животных, пока не перешедших в разряд ископаемых…

Картина строения адрона из валентных кварков и двух оболочек основана главным образом на исследовании рассеяния электронов. Именно таким и «видится» адрон электрону. Примерно такими же представляются друг другу и адроны в процессах взаимного рассеяния. Теперь же перед нами встала новая задача: выяснить, хороша ли схема с точки зрения процессов рождения адронов? Иными словами, необходимо приспособить эту схему строения к описанию особого типа реакций их образования. Раньше мы имели дело как бы с готовым адроном, а теперь должны понять, как этот адрон приготавливается. Ведь готовые реальные адроны не «сидят» внутри других адронов, они рождаются только в результате соударений.

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?

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.