Охота за кварками

Египетские фараоны жаждали величия даже после своей смерти. Ни средств, ни людей не жалели — возводили гигантские монументы. Крупнейший из них пирамида Хеопса в Гизе — имеет высоту около 150 метров. Но какими жалкими кажутся эти колоссы в сравнении с пирамидами XX века — ускорителями, воздвигнутыми во славу науки и человека.

Когда человечество глазами историков оглянется на бурный и неспокойный XX век и захочет в музеях будущего отвести этому столетию особый отдел, то, видимо, стремясь подчеркнуть грандиозность научных и технологических свершений тех далеких времен, оно поставит там наиболее внушительные по размерам экспонаты, — скажем, макеты космической ракеты, домны, атомной электростанции. Но среди всех этих символов нашего времени, возвышаясь над прочими, будет резко выделяться, бросаясь в глаза, модель самого грандиозного из построенных людьми ускорителя элементарных частиц. Эта модель будет для потомков, без сомнения, столь же значительной и памятной, как собор Парижской богоматери для тех, кто изучает эпоху средневековья.

Микроскопы микромира

Один остроумный журналист, желая показать взаимозаменяемость энергии и материи (точнее, массы, вспомним про формулу Эйнштейна), предложил энергию рассматривать как музыку, а элементарные частицы — как танцоров.

Что происходит в ускорителе?

Если совсем кратко, то тут танцоры способны превращаться в музыку, а музыка — в танцоров!

Рассказывать об ускорителях — значит повествовать о вещах очень необычных. Представим себе такую ситуацию. Кто-то захотел узнать устройство часов. Для этого он берет два будильника и с силой ударяет их друг о друга. Странный подход? Да. Но примерно по тому же принципу действуют и ускорители. (Добавим еще, что вместо россыпи шестеренок тут можно получить вдруг… дедушкины настенные часы!)

А еще — довольно распространенный прием — ускорители принято сравнивать с микроскопом. Это сопоставление обычно проводят примерно по такой схеме.

Говорят, что ускоритель — это исполинских размеров «микроскоп» (кавычки добавляют поневоле: внешне ускоритель мало похож на своего собрата по семье научных приборов). Пучку частиц в ускорителе, продолжают, соответствует световой поток в микроскопе; сложной электронной регистрирующей аппаратуре (детекторы, счетчики, логические и вычислительные устройства) — человеческий глаз, связанный с мозгом; системам формирования и управления пучком разгоняемых в ускорителе частиц (магнитные линзы, коллиматоры, системы коррекции) — оптическая система линз в микроскопе.

Обычные резоны физика, утверждающего близкое родство между ускорителем и микроскопом, таковы. Допустим, мы хотим рассмотреть какой-нибудь предмет, очень мелкий. Освещаем его. Если длина световой волны превышает размеры предмета, он остается невидим. Чтобы его разглядеть, необходимы достаточно короткие волны. Так и с элементарными частицами. Известно, что они не только корпускулы, но и волны. И длина этой волны будет тем меньше, чем больше энергия частицы. Вот и получается: чтобы «прощупать», скажем, сердцевину протона другим протоном, снаряд надо разогнать в электрических и магнитных полях до скоростей, приближающихся к световым.

Но в подобных рассуждениях не следует забывать, что элементарная частица не только волна, а своеобразный гибрид, сочетающий корпускулярные и волновые свойства. Поэтому как далеко может простираться аналогия между разглядыванием предмета в лучах света и зондированием элементарных частиц на ускорителях, сказать трудно.

Да, ускорители словно бы напичканы парадоксами.

Ныне это главное орудие для изучения фундаментальных законов микромира. Но то обстоятельство, что столь большие и сложные устройства необходимы для исследований столь ничтожных малюток, поражает, озадачивает, интригует и настораживает.

Быть может, как выразился один физик, эксперименты, выполненные на этих сверхмашинах, отчасти напоминают… «строительство шоссе для изучения химических свойств бетона»!

Ведь вполне возможно, что наблюдаемые явления (рождение новых частиц, к примеру) могут отражать не столько основные законы, сколько артистическое искусство экспериментаторов.

Что же происходит в ускорителях? В исчезающе малых объемах пространства в мельчайшие отрезки времени при соударениях концентрируются грандиозные порции энергии. (Частицы движутся со скоростью, близкой к скорости света, никогда ее не достигая, их релятивистская масса растет, и точнее было бы говорить не об «ускорителях», а об «утяжелителях».) Этот сгусток энергии по неизвестным законам и порождает весь тот сонм объектов, незнакомых и странных, который мы — скорее по инерции, чем по существу, — называем элементарными частицами. И вряд ли уместно тут говорить о каком-то расщеплении и представлять себе ускорители этакими «атомодробителями».

А коль так, что ж удивительного, если машины, предназначенные для постройки шоссе, и могут лишь строить шоссе, не более. Казалось бы, было странным, если бы они стали делать что-либо кроме…

Шляпы долой перед экспериментаторами!

С космических высот внимание инопланетян привлек загадочный объект на Земле — огромное, в несколько километров, кольцо. Если бы инопланетяне захотели познакомиться с таинственным кольцом поближе, то под толстым слоем насыпи они обнаружили бы кольцевой коридор-туннель, в котором при желании можно было бы устраивать велосипедные гонки.

Но настоящие гонки увидели бы в расположенной в туннеле вакуумной трубке диаметром в несколько сантиметров. В ней мчится со скоростью, достигающей 99,999 процента от скорости света, пучок протонов…

Один иронически настроенный физик писал так:

И нам стоило бы написать об ускорителях не главу, а целую книгу. Надо было бы рассказать, как росла мощь ускорителей, их размеры, как они постепенно превращались в своеобразных динозавров техники (нет, мы вовсе не хотим сказать, что, как и древние рептилии, ускорители вскоре вымрут!).

Только в книге достаточно большого объема можно было бы перечислить все типы ускорителей: ускорители линейные, циклические; все эти космотроны, фазотроны, микротроны, бетатроны, синхротроны, синхрофазотроны…

Вникнуть в тонкости ускорителей на встречных пучках.

Рассказать о новейших коллективных методах ускорения заряженных элементарных частиц. Поведать долгую историю совместных поисков физиков и инженеров. Но оставим все это до другого раза, будем говорить лишь о главном.

Возможно, когда-нибудь физикам удастся обнаружить и приручить монополи, эти однополюсные магнитики.

Тогда в ускорительном деле, видимо, произойдет подлинная революция. Ведь под действием сильных магнитных полей монополь мог бы приобрести огромную энергию на очень малых — десятки метров — расстояниях. Сейчас же для этого протону или электрону требуются километры пути.

Отчего так долог путь, а размеры ускорителей столь велики? Да потому, что частицы ускоряются в электрических полях (отсюда и стандартная единица измерения энергии ускоренных частиц — электронвольт, сокращенно эВ: энергия, приобретенная электроном при прохождении разности потенциалов в 1 вольт). А магнитное поле, не меняя скорости частиц, лишь формирует ее траекторию (обычно это спирали; разработка ускорителей современного типа началась с 1944 года, здесь очень велика заслуга советского академика В. Векслера (1907–1966), он предложил принцип автофазировки, который позволил поднять предел достигнутых энергий частиц сразу в тысячи раз!).

Электрическое поле слабенькое. А физикам сейчас нужны уже не мегаэлектронвольты, МэВ'ы (10⁶ эВ) энергии, а гигаэлектронвольты, ГэВ'ы (10⁹ эВ) и даже тераэлектронвольты, ТэВ'ы (10¹² эВ). Требуется все более мощная электронная и протонная стрельба (подсчитано, что энергия пучка протонов в современном ускорителе эквивалентна энергии снаряда весом в десятки килограммов, летящего со сверхзвуковыми скоростями). Обеспечить такие большие энергии слабым электрическим силам затруднительно: поневоле приходится все больше удлинять пути разгоняемых частиц — ускорители становятся все грандиознее.

В 1967 году, в канун 50-летия Советской власти, в городе физиков Протвине (он расположен вблизи Серпухова, там, где Московская область граничит с Калужской и где течет маленькая речка Протва. Это место было облюбовано физиками потому, что континентальный щит здесь ближе всего подходит к поверхности Земли, и тут проще всего было организовать защиту от вредных излучений), в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ), был запущен на проектную мощность (позднее она была доведена до 76 ГэВ) Серпуховской ускоритель — кольцевой протонный синхротрон. До 1972 года (только тогда были введены в строй более мощные ускорители в Швейцарии и в США) он был крупнейшим из ускорителей.

А сейчас в Советском Союзе, в том же Протвине, строится уникальный ускорительно-накопительный комплекс ИФВЭ с расчетом на энергии до 3 ТэВ. Этой проблемой заняты коллективы многих институтов страны: Института физики высоких энергий, НИИ электрофизической аппаратуры, Радиотехнического института и других.

Длина ускорительного магнитного кольца вакуумной камеры нового синхротрона достигнет 20,772 километра!

Это больше, чем лента Садового кольца в Москве (длина кольца старого Серпуховского ускорителя — 1500 метров). В подземном туннеле, схожем с метро, диаметром 5 метров в 1990 году — срок пуска комплекса — посреди магнитов, размеры которых не могут отклоняться более чем на 25 микрон (хотя электромагнитные силы, создаваемые током в 6600 ампер, стремятся их деформировать), промчится протонный пучок. Его толщину с точностью до 1 миллиметра будут выдерживать 1200 специальных корректоров. Работой их, а также всего ускорительно-накопительного комплекса будет управлять электронный мозг: 85 мини-ЭВМ, около 500 микро-ЭВМ и несколько тысяч встроенных в аппаратуру микропроцессоров.

Но как ни грандиозно само по себе кольцо ускорителя, оно лишь малая часть всего сооружения. Рядом с ускорителем возводится энергокорпус и несколько экспериментальных залов, где разместятся многочисленные лаборатории, нафаршированные автоматическими системами для обработки фотографий с пузырьковых и искровых камер, отклоняющие магниты (их вес на старом ускорителе — 200 тонн!), высокочастотные сепараторы частиц и многое прочее.

Все эти экспериментальные залы, занимающие площадь в несколько гектаров, галереи и павильоны будут сплошь заставлены сложным электротехническим оборудованием, которое можно изготовить только на больших электротехнических и машиностроительных заводах. Во г почему все то, что создается вокруг ускорителя, требует финансовых затрат еще больших, чем стоимость самого ускорителя.

Современные ускорители, эти мастодонты науки, поражают воображение. Говорят, будто этот «микроскоп микромира» — просто прибор, только очень большого «роста». Прибор? Скорее это гигантский завод, фабрикующий элементарные частицы. Зачем нужны такие дорогостоящие махины?

Этот вопрос мы еще будем обсуждать. А пока остановимся и в знак нашего восхищения просто снимем перед экспериментаторами шляпу.

Времена одиночек прошли

Кто-то сказал: «Проникнуть в одиночку в тайну ядра так же трудно, как одному, без помощи многих других людей, слетать на Луну». Золотые слова: достижения в физике микромира теперь уже совершенно немыслимы без коллективных усилий.

За скупыми газетными строчками сообщений о новых открытиях в физике высоких энергий непросто разглядеть труд сотен людей самой высокой квалификации, которые готовили этот серьезный эксперимент долгие годы, не имея при этом, в сущности, никаких гарантий на успех. Нелегко представить и то, что удача тут часто определяется вовсе не физиками, а инженерами, конструкторами, технологами, всеми теми, кто создавал новый ускоритель.

Впрочем, об изменении стиля работы физиков-экспериментаторов предупреждали давно.

Выдающийся французский физик Ф. Жолио-Кюри, выступая на встрече нобелевских лауреатов и вспоминая старые времена (дело было в 50-х годах), говорил: «Еще всего лишь двадцать лет назад «артиллерия», применявшаяся для бомбардировки ядер атомов, помещалась в пробирке объемом в несколько кубических сантиметров.

Тот или иной опыт, приведший к чрезвычайно важным открытиям, требовал небольшой площади, всего несколько квадратных метров, и несложной аппаратуры. Ученый, который, по-моему, должен иметь склад ума, близкий к складу ума художника, чувствовал свою близость к исследуемому объекту. Он вел сравнительно прямое наблюдение. Он мог дать волю своему творческому гению. Он мог, не входя в большие расходы и не создавая препятствий для других сотрудников лаборатории, пропустить несколько этапов и скорее достигнуть цели. Временами легкие крылья, подобные крыльям Пегаса, увлекали его к открытию».

Дальше Ф. Жолио-Кюри рассказывал о том, как быстро в лаборатории физиков проникли громоздкие ускорители и связанная с ними негабаритная измерительная аппаратура Как стремительно рос технический персонал. Ученый продолжал: «Современный центр теоретических исследований в области атомной физики покажется неискушенному наблюдателю промышленным предприятием. Но не будет ли исследователь чувствовать себя раздавленным этим парадом огромных, сложных, но необходимых средств, стоимость нескольких часов работы которых достигает десятков, а то и сотен тысяч франков? Он чувствует, что уже не может, как раньше, пропустить те или иные фазы опыта. Он ощущает всю глубину своей ответственности за проделанную работу. Теперь желание поставить опыт только для того, чтобы «увидеть его результаты», с малой надеждой на успех, наталкивается на огромные трудности…»

Закончил свое выступление Ф. Жолио-Кюри скептическим замечанием: «Нельзя создать оригинальную работу на конвейере».

Увы! Можно протестовать, огорчаться, злиться, но времена ученых-одиночек в физике микромира прошли и, видимо, больше не вернутся. Чтобы убедиться в этом, чтобы почувствовать экспериментальную «кухню», надо побывать на ускорителе и присмотреться к работе тех (не только физиков!), кто трудится около него.

Можно было бы долго перечислять группы специалистов самых разных профессий и профилей; не будем этого делать. Ведь ясно, что на ускорителе, как и на огромном заводе, царит жесткое разделение труда. Сотни человек заняты непосредственной постановкой и обслуживанием эксперимента. Облучаемые потоками элементарных частиц камеры готовят десятки совсем других людей. Программы для ЭВМ составляет особая армия программистов. (Сейчас в числе соавторов многих работ физиков можно было бы смело поставить… ЭВМ. И физики шутят, что компьютерам осталось сделать последний шаг — научиться писать за них научные статьи.) Есть на ускорителе и особый отряд теоретиков (на синхрофазотроне в среднем каждый опыт-«сеанс» длится около двух недель, за это время исследователи получают десятки и даже сотни тысяч фотографий со «следами» процессов взаимодействия частиц). Теоретики заняты оперативной обработкой данных идущего эксперимента, интерпретацией полученных результатов.

Вот какое множество людей прямо или косвенно участвует в экспериментах на ускорителях. Что же тут удивляться, если после этого в физическом журнале появляется трехстраничная статья (физики обычно очень лаконичны) и в ней упомянуты не один, не два, а многие десятки авторов!

По этому поводу хочется вспомнить забавный случай.

В одном дружном физическом коллективе, занимающемся экспериментами с элементарными частицами на ускорителе, было решено располагать авторов в статьях на демократических началах — по алфавиту. Так и стали делать. И первым в списке всегда стоял некто — назовем его Баранов.

Такой порядок выдерживался несколько лет. А потом вдруг обнаружили: в советских и иностранных реферативных журналах, где очень уместна краткость, все статьи этой группы физиков значились под такой обидной для многих членов этого коллектива шапкой: «Баранов и др».

Что делать? Как выправлять крен? Долго размышляли и решили алфавитный принцип все же сохранить, но в каждой новой публикации передвигать цепочку авторов справа налево ровно на одну фамилию. Так, чтобы во второй статье первым ставить уже не Баранова, а Воронова; в третьей — не Воронова, а Говорухина и так далее.

«Кого ты больше любишь — маму или папу!»

Существует легенда, будто на вопрос о том, что бы он подумал, если бы эксперимент не подтвердил предсказанного им отклонения лучей света, автор общей теории относительности ответил: «Мадам, я подумал бы тогда, что бог упустил наиболее привлекательную возможность».

Ему приписывают и такие слова: «Разве недостаточно факта существования электрона, чтобы построить теорию?!»

Эти вроде бы несерьезные высказывания великого физика ставят серьезные вопросы. Ведь конечный итог развития любой науки не просто накопление фактов, а создание системы знаний.

«Ученый, — говорил А. Пуанкаре, — должен наводить порядок. Наука возводится при помощи фактов, как дом при помощи кирпичей; однако набор фактов является наукой в такой же мере, как груда кирпичей являет собой дом».

С этим заявлением нельзя не согласиться. Конечно, факты являются необходимой составной частью любой науки, но, будучи не взаимосвязаны, они имеют ограниченное значение. Прогресс в науке происходит только благодаря анализу информации, полученной из наблюдений, и формулировке соображений, которые устанавливают связь между фактами и позволяют оценить эту связь.

Теория — своего рода мозг физики, как, впрочем, и любой другой науки. Ее задача — кратко и ясно записать (сформулировать) то, что продиктовал эксперимент, и сделать это так, чтобы сразу стали видны все следствия, чтобы было понятно, каких деталей недостает, какие новые опыты необходимы. Но это еще не все, что требуется от теории.

«Истинная теория должна быть уязвим а, — считает советский физик, доктор физико-математических наук профессор Н. Мицкевич. — Ее достоинство не в том, что ее в последний момент можно подогнать под имеющиеся факты, а в том, что в ней, как в хорошем часовом механизме, все колесики на своих местах — стоит переставить хоть два из них, остановится вся сложная машина, и потребуется не просто ремесло, а подлинное искусство, чтобы отыскать причину поломки. И в этом, а не в бесконечном хлопотливом и неинтересном ремонте заключается действительный процесс познания, ибо каждая «поломка» — открытие качественно нового и глубоко содержательного закона природы, требующее его осмысления и приведения в соответствие со всем стройным комплексом наших знаний. Сам факт возможности такого построения и развития науки знаменует чтото совершенно особенное в природе, великую гармонию ее частей, целостность, при которой деление на части — условность, вызванная нашим собственным несовершенством…»

Роль теории более или менее ясна. А эксперимент, его значение? Конечно, это строгий контролер и отбраковщик теоретических концепций. Однако связь теории и эксперимента далеко не так тривиальна, как это может показаться с первого взгляда. Ведь, строго говоря, никогда нельзя доказать справедливость данной теории, хотя ее несправедливость можно установить экспериментами.

Предположим, собраны факты и построена теория, их объясняющая. С помощью этой теории мы можем сделать ряд предсказаний и проверить их в новых экспериментах. Если мы сделали 10 предсказаний и 9 из них проверили экспериментально, это еще не доказывает, что данная теория правильна: может оказаться, что десятое предсказание ошибочно! Однако в этой неудаче будет содержаться и своего рода успех, так как мы теперь будем точно знать, где именно теория несостоятельна.

Теория и эксперимент, их двуединство весьма и весьма плодотворно для развития физики. Тесное взаимодействие фактов и осмысления ставит множество методологических и философских проблем. Одна из них такова.

Сколько же экспериментальных фактов (долой лишние!) необходимо для теории? Какими должны быть эти факты? Вообще, какова оптимальная дозировка в смеси «эксперимент — теория»?

Физики уже не раз ставили перед собой подобные вопросы. Д. Блохинцев, например, отвечая на вопрос журналиста: «Что же мешает созданию новой всеобъемлющей теории элементарных частиц?» — говорил (1971) так:

«Нам трудно сейчас решить, в чем дело. Не хватает ли глубины понимания явлений, идеи, которая могла бы пролить свет на весь огромный комплекс фактов, или не хватает самих фактов?..»

Приводил он тогда примеры и из истории физики. Пока физики не дошли до понимания того, что существуют молекулы и атомы (теоретическая концепция!), не было и понимания различий между газообразными, жидкими и твердыми телами.

А вот противоположный пример, где видна зависимость теории от эксперимента. Пока Э. Резерфорд не обнаружил экспериментально атомного ядра, не было и предпосылок для создания планетарной модели атомов, работа у теоретиков не двигалась.

Изучение природы ставит перед исследователями непростые проблемы. Мы в этой книге много говорили о теоретиках, об их геройствах, научных подвигах. Пытались мы (в этой главе) разглядеть и фигуру экспериментатора. Осознали и то, что, по пословице, один экспериментатор (во всяком случае, при работе на ускорителях!) в поле не воин. Теперь же хотелось бы сравнить значимость этих главных фигур на шахматной доске физики.

Впрочем, может быть, такое сопоставление бестактно и бессмысленно? Один журналист высказался в том духе, что сравнивать роль теоретика и экспериментатора столь же глупо, как и обращаться к ребенку с запрещенным вопросом: «Кого ты больше любишь — маму или папу?»

Это одна точка зрения. Но есть и другие. Существует, к примеру, «доктрина экспериментизма». Она утверждает главенствующую роль эксперимента. В свое время экспериментисты доказывали, что вся теория относительности целиком выросла из одного-единственного опыта американского физика А. Майкельсона, в котором он с величайшей точностью установил независимость скорости света от скорости движения Земли (1881), перечеркнув тем самым гипотезу о мировом эфире.

Взгляды экспериментизма, понятно, развивают в основном экспериментаторы. Теоретики же, естественно, остаются при своем мнении. Они отмечают одну интересную особенность развития физики XX века. Говорят о том, что в этом столетии произошел резкий сдвиг в равновесии между теоретической и экспериментальной физикой.

Говорят о тенденции к господству теории над экспериментом.

Действительно, современная теоретическая физика в основном уже недоступна пониманию большинства физиков-экспериментаторов — во всяком случае, без соответствующих пояснений. И хотя не «предусмотренные» теоретиками и идущие вразрез с теорией экспериментальные открытия еще случаются, главные усилия экспериментаторов сегодня направлены на проверку теоретических гипотез.

Оно и понятно! Отдельному физику-экспериментатору (и даже большим группам физиков) трудно получить доступ к оборудованию, где приборы-ускорители стали размером с Лужники, где необходимо обрабатывать миллионы фотографий ради одной, подтверждающей идею, пришедшую в голову теоретику. А главное: экспериментаторы получают ныне дорогостоящее и сложное оборудование только в том случае, если докажут, что их опыты будут иметь то или другое отношение к господствующим в физике теориям.

Эксперимент активный и пассивный

В мае 1976 года в Серпухове (ИФВЗ) состоялось международное совещание физиков. Тогда рассматривалась возможность строительства силами многих стран самого большого ускорителя — «мировой машины», с энергией 10⁴ ГзВ и диаметром до 30 километров.

«Суперускоритель? А cтоит ли его возводить? — тотчас же раздались сердитые голоса. — Стоит ли столь крупная игра свеч? Не есть ли это просто монументальные безделушки, созданные, чтобы удовлетворить ненасытную любознательность ученых? Да и дорого! Где взять необходимые средства? Ведь известно, что стоимость среднего эксперимента на ускорителях составляет порядка миллиона рублей, и, по-видимому, в ближайшие годы эта цифра станет еще больше».

И раздаются призывы вернуться от активного эксперимента к пассивному, скажем, больше внимания уделять космическим лучам.

«Но ускоритель, — возражают сторонники активных экспериментов, — дает 10¹²-10¹³ ускоренных частиц в секунду в виде тонкого (тоньше карандаша) управляемого пучка, в то время как поток космических лучей сильно разрежен (очень энергичные частицы — по стандартам, достигнутым на ускорителях встречаются тут одна на квадратный километр за год!) и неуправляем».

«Зато, — отвечают приверженцы пассивных действий, — создание лаборатории для исследования космических лучей стоит столько, сколько уходит на проведение лишь одного значительного эксперимента на ускорителе!»

В этих словах, конечно, есть своя сермяжная правда.

Академик Я. Зельдович как-то шутил, что ранняя горячая Вселенная (в известной мере космические лучи — это отголоски тех далеких бурных времен) — это природный ускоритель для «бедного человечества», которое пока не может на Земле создать такие условия.

Исследования космиков (так называют себя те, кто ловит космические лучи) уже не раз давали интереснейшие результаты.

В 1964 году в фотоэмульсии, поднятой в стратосферу, было обнаружено событие, в котором родилось сразу около 150 квантов. Это значит, что энергия прилетевшей из космоса первичной частицы равнялась 10⁶ ГэВ! Анализ этого явления дал много ценного, и ему было присвоено собственное имя «Одинокая звезда Техаса».

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

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

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

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

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

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

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

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

Вот что об этом пишет известный английский физик Ф. Хейне: «То, что я называю компьютерным экспериментом, имеет, на мой взгляд, чрезвычайное значение.

Краеугольным камнем научного подхода является создание в эксперименте управляемой ситуации, позволяющей сконцентрироваться на одних явлениях и исключить другие. Так, если мы собираемся провести научное исследование процесса коррозии, го мы не выбрасываем за окно кусок железа, чтобы посмотреть, что с ним будет, но выращиваем монокристалл с тщательно подготовленной поверхностью в ультравысоком вакууме, чтобы избежать всяких неконтролируемых загрязнений. Отсюда всего один шаг до того, чтобы «построить» кристалл железа на ЭВМ и следить с ее помощью за тем, как он взаимодействует с молекулой кислорода».

Численный эксперимент, или машинное моделирование (говорят также об имитации), этот подход, использующий силу электронного разума, уже дал много интересных результатов Один из них был даже увенчан Нобелевской премией. И теперь карта физики, где прежде значились лишь два континента — Теория и Эксперимент, — изменила свои вид. Из пучин микроэлектроники возникла еще одна твердь — Вычислительная физика.

Что, может быть, эта новация решит все проблемы?

Нет, решительно отвечают в одной из статей сотрудники ФИАНа И. Мазин и Е. Максимов. Ратуя за скорейший приход ЭВМ в физику, они. вынуждены признать, что заменить собой истинный эксперимент и настоящую теорию вычислительная физика все же не сможет. «Любое исследование на ЭВМ процессов излучения абсолютно черного тела, — пишут они в статье, — не может привести к открытию планковского распределения, если предварительно в машину не ввести законы квантовой механики. Точно так же постоянство скорости света само по себе не возникает в машинных экспериментах, если не использовать при этом законов теории относительности. Иными словами, что в ЭВМ заложишь, то и получишь».

Тут, правда, можно было бы заспорить. Мощь электронного разума стремительно растет. Уже на подходе пятое поколение ЭВМ — машин «говорящих», «видящих», логически «мыслящих». Не появятся ли тогда еще и физики… электронные? Системы, которые сольют теорию и эксперимент в единое целое? Но это мечты о будущем. Ну а пока?

Пока авторитеты — в споре об экспериментах активных и пассивных предлагают всячески интенсифицировать теоретические исследования, тратя все больше усилий на обработку и упорядочение ранее полученной экспериментальной информации, на ее всесторонний анализ.

И все же призыв заменить дорогостоящие ускорители «серым мозговым веществом», больше концептуально мыслить, предвосхищая законы природы и не выходя за стены кабинета, не накапливать новые факты с помощью ускорителей или иных недешевых средств, а обходиться более искусным использованием «теории, веревочек и сургуча» — эти призывы кажутся довольно неубедительными. Десятилетия застоя в изучении гравитации показывают, что может произойти даже с самым интересным предметом без давления новых фактов.

Новые ускорители строить необходимо, но делать это становится все труднее. Построенный в 1931 году первый циклический ускоритель имел диаметр всего лишь 25 сантиметров (он разгонял протоны до энергии в 1 МэВ), а ныне уже изучается проект установки (Desertron, США) с длиной окружности в 100 километров!

(Понятно, будь у физиков-экспериментаторов какой-то другой способ изучать кварки и другие элементарные частицы без гигантских ускорителей, массивных детекторов, больших ЭВМ, они предпочли бы его. К сожалению, иные пути неизвестны.)

С увеличением размеров и стоимости ускорители сначала были доступны только специальным национальным лабораториям, а затем лишь международным центрам исследований. И в настоящее время имеется лишь три региона, где исследования в области физики высоких энергий ведутся наиболее активно: СССР, США и Западная Европа (ЦЕРН в Женеве и ДЕЗИ в Гамбурге). Физики, ведущие эксперименты в разных странах, хотели бы уменьшить дублирование работ, создать в этой области «разделение труда», ввести «паевой» стиль исследований.

Предполагалось, что к концу этого века должна быть создана единственная Всемирная лаборатория, в которой будут представлены физики всего мира. Однако для этого необходима благоприятная международная политическая ситуация.

Белая ворона микромира

Есть два пути изучения внутренней структуры элементарных частиц: увеличивать энергию ускорителей, строить машины все более огромные, и второй путь — увеличивать точность опытов при уже достигнутых на старых ускорителях низких энергиях (следуя этой тропой, физики в Протвиие недавно открыли еще две элементарные частицы — аш- и эр-мезоны).

Что предпочесть? Конечно же, первое: так считает большинство физиков. И эта стратегия себя прекрасно оправдывает. В последние десятилетня все самые важные открытия в физике высоких энергий были сделаны с помощью ускорителей, мощь которых непрерывно росла.

Ждут физики и еще большего.

Энергия проектируемого нового ускорителя в Протвине — ТэВ'ы. Казалось бы, глупо спрашивать, почему выбраны такие величины: по дороге в неизведанное сюрпризы могут подстерегать исследователя на любом километре! Удивительно, однако, что физики знают, чего хотят. И ТэВ'ы выбраны не случайно. Именно за этим порогом может проясниться природа слабых взаимодействий.

Если рассуждать совсем грубо, то при энергиях, равных ТэВ'ам, физики хотят узнать, какая из цифр — тройка или четверка — более близка микромиру. Если точнее: трехчастична или же четырехчастична природа элементарных взаимодействий?

Уже давно (Э. Ферми, 1934 год) теория слабых взаимодействий формулировалась как взаимодействие с участием четырех частиц: так нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Поразительно, что все другие взаимодействия исключительно трехчастичные.

Тот же нейтрон, например, испуская пи-мезон, превращается сильным взаимодействием в протон. Вот и получается, что но ряду свойств слабые взаимодействия в микромире можно считать белой вороной.

Лет тридцать физики пытаются свести четырехчастичные слабые взаимодействия к трехчастичному, например, электромагнитному. Для этого предположили, что слабое взаимодействие на деле идет в два этапа. Вначале нейтрон испускает протон и некоторую гипотетическую частицу (первое трехчастичное взаимодействие). А промежуточная частица уже затем распадается на электрон и антинейтрино (второе трехчастичпое взаимодействие).

Несмотря на упорнейшие поиски, этого посредника никак не могли обнаружить. Но идея унификации типов взаимодействий столь привлекательна, что на всех ускорителях вновь и вновь ставились эксперименты по его поиску.

Так вот, энергии в несколько ТэВ — это как раз та предельная область, для которой имеет смысл идея промежуточной частицы и ее поиски. И тут эксперименты на новом синхротроне в Протвине должны были бы стать решающими.

Итак, физики-экспериментаторы вновь вышли на тропу охотников. Теперь они хотят отловить так называемые промежуточные векторные бозоны — так позднее стали называть то, что никак не могли обнаружить. Эти гипотетические частицы (есть среди них заряженные W+ = и Wn~ бозоны, есть и нейтральный — Z°) переносят слабое взаимодействие так же, как, скажем, глюоны, переносчики цвета, — кварковое, сильное взаимодействие.

Почему изловить новый тип бозонов трудно? Потому что масса у них огромная — примерно под сотню ГэВ, почти в 100 раз больше, чем у протона. А для рождения частиц с большой массой как раз и нужны ускорители с достаточно высокой энергией частиц-снарядов.

Ныне выслеживание W- и Z-бозонов подошло, видно, к кульминации. То и дело (1983–1984 годы) в специальной и популярной печати появлялись статьи с броскими заголовками: «Погоня за бозонами», «W-бозон обнаружен!», «Как поймали бозон»… Физики-экспериментаторы вертятся, как кот вокруг горшка с гречневой кашей. Одна группа сообщила, что по косвенным признакам она-де обнаружила 4 события, спровоцированные W-бозонами. Другая спешно публикует отчет о поимке 6 бозонов.

Но главные события все же, вероятно, развернутся в 1985–1986 годах. К тому времени физики хотят ввести в действие ускорители на встречных пучках столь мощные, что они станут настоящими фабриками векторных бозонов. За сутки (по самым консервативным оценкам) будут рождаться несколько десятков тысяч (!) векторных бозонов.

Партоны: кто следующий!

Эксперименты на ускорителях имеют решающее значение и для кварковой гипотезы. К примеру, физики из Дубны обнаружили неизвестные частицы, поведение которых становится понятным, только если допустить, что они состоят из 5 кварков.

Еще пример. Давно известно: столкновение электрона с позитроном и их аннигиляция могут завершиться рождением пи-мезонов, пионов. Теперь полагают, что этот процесс идет через стадию рождения пар кварк антикварк. И каждая из этой пары частиц порождает несколько пионов, дает, как принято у физиков говорить, пионную струю.

Пленные струи регистрируются давно. Но как доказать, что они имею г кварковую природу? Что их породили именно кварки?

Пионы имеют целые заряды, кварки — дробные. А что, если просуммировать заряд всех пионов, общий заряд пионной струи? Ведь этот заряд (плюсы и минусы зарядов отдельных пионов взаимно сократятся) должен быть равен исходному заряду кварка, с которого и началась ппонная струя. А?

Эти измерения провели. Они дали замечательный результат: в среднем суммарный заряд пионной струи оказался равным плюс 2/3 и минус 1/3! Ну как тут не думать о реальности частиц с дробным зарядом, о реальности кварков?

Эксперименты на ускорителях делают кварковые списки все длиннее. Физики уже различают кварки u, d, s, b, с, t; кварки «верхний», «нижний», «странный», «красивый», «очарованный», «истинный». Все? Шеренга кварков оборвалась? Трудно сказать. Кое-что уже пророчит «демографический взрыв» и для кваркового семейства.

Сейчас кирпичиками микромира считаются кварки и лептоны. Говорят о кварк-лептонном уровне материи.

Но не слишком ли много набралось этих кирпичиков?

Кажется, что ситуация с элементарными частицами может повториться. Ведь подсчеты дают для числа всех возможных кварков и лептонов оглушительную цифру — 90! Много, очень много!

Физики начинают подозревать, что сами кварки и лептоны, по-видимому, также обладают внутренней структурой, состоят из более мелких (или крупных?) субчастиц.

Теоретикам тут все проще. Они уже успели напридумывать множество схем, в которых фигурируют те или иные пракварки. Одни авторы называют их «преонами», «сомонами», «хромонами» (хромоны обусловливают цвет кварков, они имеют красный, желтый, синий цвета, есть и бесцветный хромон). Другие теоретики толкуют о «римонах», «гиперглюонах», «гликах» и других перлах теормудрости.

Теоретикам легче! А вот экспериментаторы должны уговаривать администраторов, упрашивать, обивать пороги, клянчить, молить, требовать, выбивать, настаивать, давить — все это, чтобы показать, что они ну просто жить не могут без новых, еще более сильных ускорителей, которые позволили бы им залезть «в душу» уже не к протонам или нейтронам, а к кваркам и лептонам!

Пракварки, пралептоны — уж не химера ли все это?

Прежде, говорят критики, надо было бы убедиться в существовании самих кварков! Что же, тут появились обнадеживающие результаты.

В 1970 году ученые, ведущие исследования на Стэнфордском линейном ускорителе (США), направили пучок электронов, разогнанных до высоких скоростей, на протоны и нейтроны. И поразительно! У стэнфордских физиков повторилась история Э. Резерфорда. Тот расстреливал атом, его ядро. Теперь же, обстреливая электронами протон и нейтрон, ученые тоже открыли в них какие-то объекты! (Электроны разгонялись в ускорителе до энергии 20 ГэВ, они уже могли прощупать размеры в 10^-16 сантиметра, то есть приблизительно тысячные доли от диаметра протона.)

Как и в опытах Э. Резерфорда, выяснилось: протон и нейтрон в большей части своего объема пусты! — электроны в основном проскакивали сквозь них, не меняя своей траектории. Однако изредка при соударении с протоном электроны натыкались на какую-то преграду.

Эти микрообъекты Р. Фейнман назвал «партонами».

(В отличие от загадочного слова «кварк» это название объяснить совсем просто: оно образовано от английского part — часть.)

Итак, появилось еще одно действующее лицо микромира — партоны. Не есть ли это все те же кварки, которые никак не могут обнаружить? Пока на этот вопрос определенно ответить трудно. Но, во всяком случае, кварковая модель вопреки предсказаниям скептиков получила бы еще одну мощную поддержку.

Говорить о будущих возможностях, которые могут дать ускорители, трудно. Обычно самое важное и значительное в новой области исследований — так учит вся история науки — это неожиданное, непредвиденное.

И пожалуй, наиболее важный аргумент в пользу форсирования исследований на ускорителях в том, что именно в физике высоких энергий, как ни в какой другой науке, НЕОЖИДАННОЕ НАИБОЛЕЕ ВЕРОЯТНО.