Где вы, кварки?
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Мир явно устроен так, как если бы кварки существовали. Нет ни одного факта против этой гипотезы, и много фактов ее подтверждают. И все же, пока кварки не обнаружены непосредственно, нельзя быть до конца уверенным в их существовании. Где же должны быть кварки? Где искать их?
Во-первых, в ускорителях, в столкновениях быстро летящих частиц. Но чтобы разбить протон на составляющие его кварки, необходима фантастически огромная энергия.
Кварки образуются (конечно, если они вообще существуют) в потоке космических лучей, где встречаются частицы с энергией в сотни раз большей, чем в самых мощных современных ускорителях. Как ни мал процент высокоэнергичных космических частиц, Земля подвергается их действию уже 5 миллиардов лет. За это огромное время свободные кварки должны были бы накопиться в немалом числе.
Образовавшиеся в атмосфере кварки, как и всякие заряженные частицы, выпадают вместе с дождем и снегом. Большая часть попадает в океан, меньшая — на сушу, откуда много шансов вместе с речной водой скатиться опять-таки в океан. Значит, вот уже пять миллиардов лет кварки копятся в океане, где их, казалось бы, нетрудно обнаружить. Увы, надежды нет: концентрация кварков в морской воде составляет, по расчетам, 10 в минус 10 степени, то есть на каждый кубический километр воды (миллиард тонн!) приходится всего около миллиграмма кварков.
Есть еще, быть может, кварки, оставшиеся от «сотворения мира». В самом деле, если все элементарные частицы построены из кварков, то когда-то не было на свете ничего, кроме этих частиц. Я. Б. Зельдович, И. Б. Окунь и С. Б. Пинельнер вычислили, сколько их могло уцелеть до наших дней. Любопытно, что концентрация допотопных кварков в земных веществах опять-таки не способна превышать 10 в минус 10 степени — а это слишком мало. Существующие методы анализа способны уловить лишь в миллиарды раз более высокие концентрации.
И все же экспериментаторы ищут пути обхода трудностей. Опыты планируются на ближайшее время.
Делается расчет на то, что свободный кварк — единственная электрически заряженная частица с дробным зарядом, который не может быть никак скомпенсирован: ведь у всех остальных тел и частиц Вселенной заряд обязательно выражается целым числом, кратным величине заряда электрона. Найти тело с нецелым электрическим зарядом — значит подтвердить предсказание Гелл-Манна.
Ради этого предлагают обогатить океаническую «кварковую руду» перегонкой. Правда, простая перегонка воды не поможет. Кварки, хоть и не будут испаряться (из-за своей большой массы), но в осадке окажется столько солей и грязи, что концентрация кварков останется по-прежнему исчезающе малой. Не поможет очистка воды и при помощи фильтров, потому что заряженные кварки первыми пристанут к любому фильтру, и любой стене.
Концентрировать кварки нужно иначе. В вакуумную камеру взбрызгивается океанская вода, мелкие капельки которой мгновенно превращаются в пар. Приложенное продольное электрическое поле разгоняет в одном направлении все заряженные частицы, которых в образовавшемся паре будет великое множество. Но на пути частиц расположена диафрагма, «вырезающая» очень узкий пучок заряженных частиц, проходящий затем через электрическую линзу. Все заряженные частицы фокусируются линзой на разных расстояниях, в зависимости от их массы и заряда. Где-то в строго определенном месте окажутся сфокусированными и кварки, которых, как надеются физики, окажется здесь в миллиард раз больше, чем было в исходной воде. А такое их количество уже доступно для анализа.
Выдвинут и иной проект. Когда в начале прошлого века американский физик Милликен ставил свои знаменитые опыты по определению минимального электрического заряда, он пользовался микроскопическими капельками хорошо очищенного масла, в которых наверняка не было кварков — они неминуемо застряли бы на фильтре при очистке масла. Кроме того, тысячи капелек во всех опытах Милликена весили меньше миллионной доли грамма, то есть было проанализировано вещества в тысячу раз меньше того количества, в котором может найтись хотя бы один кварк. Словом, у Милликена кварков быть не могло. Отсюда вывод: надо воспользоваться веществом, обогащенным кварками, и повторить опыты Милликена при помощи современной аппаратуры — в миллион раз более чувствительной. Тогда можно будет рассчитывать на успех этой азартной охоты.
Есть и еще один путь. Через счетчик космических лучей площадью в один квадратный метр за 3,5 месяца (а такой эксперимент уже можно поставить) должно пройти несколько тысяч кварков, которые, быть может, удастся обнаружить.
К ловле кварков присоединились и астрономы. Некоторые звезды испускают густой поток достаточно энергичных частиц, которые могут способствовать образованию заметного количества кварков. При этом должны возникнуть, правда в небольшом количестве, водородоподобные «кварко-атомы», где вокруг протона вращается не электрон, а отрицательно заряженный кварк. Эти атомы излучают спектр, похожий на спектр водорода, но самая интенсивная его линия будет ультрафиолетовая (длина волны около 2750 ангстрем). Вот астрономы и надеются обнаружить соответствующую линию в спектре подходящих звезд. Если это удастся, то кварки окажутся сначала открытыми на небе, как сто лет назад «солнечный газ» гелий. А уж потом, надо полагать, их отыщут на Земле.
Готовятся к поиску кварков и химики, и геохимики. Не исключено, что кварки или кварко-атомы испытывают химическую склонность к какому-либо химическому элементу и жадно с ним соединяются. Тогда залежи, в которых встречается этот элемент, будут и залежами кварков.
Сказали свое слово и биологи. Известно, что некоторые растения способны концентрировать в тканях и клетках редкие элементы, рассеянные в окружающей среде. Недавно, например, было установлено, что в северной Финляндии есть лишайники, накапливающие стронций-90. Быть может, найдутся и растения — накопители кварков.
Автор: М. Карев.