Ускоритель элементарных частиц: как он работает и какую пользу приносит физикам

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 элементарных частиц.

В физике высоких энергий мы ломимся в неизвестность, мчимся в незнаемое (как в сказке: пойди туда, не знаю куда!) — отсюда и грубость способов, варварские методы достижения цели. Единственное пока средство проникнуть в «святая святых» микромира — разогнать протоны или электроны до невиданных энергий и ударить по атомной мишени. Что происходит в момент удара, мы еще слабо представляем, но считаем, что атомное ядро можно сравнить с твердым орешком. И чтобы заглянуть внутрь, необходимо расколоть «скорлупу».

Обычные резоны физика таковы. Допустим, мы хотим рассмотреть какой-нибудь предмет, очень мелкий. Освещаем его. Если длина световой волны превышает размеры предмета, он останется невидим. Чтоб 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, нутро 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 — это не только волна, а своеобразный гибрид, сочетающий корпускулярные и волновые свойства. Как далеко может идти аналогия между разглядыванием предмета в лучах света и зондированием элементарных частиц на ускорителях, сказать трудно.

Среди других наук физика элементарных частиц и космология обладают одной уникальной особенностью: мы не знаем основных законов, управляющих изучаемыми явлениями. Не так обстоит дело в других науках: геологии, океанографии, атомной физике и, по-видимому, в биологии, где действуют известные физические законы, но обилие деталей позволяет лишь частично понять разнообразие явлений.

Самые большие оптимисты среди физиков надеются, что основные законы микрокосма могут явиться однозначным следствием лишь нескольких принципов симметрии, таких, как изотропность и однородность пространства, эквивалентность инерциальных систем отсчета и так далее. Надеются, что наш мир повинуется лишь нескольким действительно фундаментальным законам.

Верна ли эта концепция, мы также не знаем. Ибо чем «дальше в лес», тем более неопределенным становится понятие «элементарной частицы», тем больше диковинных и сложных «дров» поставляет нам таинственный и непонятный мир малых частиц. Ускорители — пока единственное 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-теоретик, 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 происходит в ускорителях? В исчезающе малых объемах пространства в мельчайшие отрезки времени при соударениях концентрируются грандиозные порции энергии. Этот сгусток по неизведанным законам и порождает весь тот сонм объектов, незнакомых и странных, который мы — скорее по инерции, чем по существу,— и называем элементарными частицами. И вряд ли уместно тут говорить о каком-то расщеплении.

Что ж удивительного, если машины, предназначенные для постройки шоссе, и могут лишь строить шоссе, не более. Было бы странным, если бы они стали делать что-либо кроме…

Странности странного мира

В свое время кварки были встречены в штыки. Научные журналы отказывались публиковать эту модель. Однако теория кварков предсказывала существование нового адрона (омега-минус-гиперон), который вскоре и был обнаружен. Успех был полным. Физики бросились искать кварки.

С точки зрения детективной истории, о преступнике было известно многое: заряд, спин и еще ряд примет. Искали в океанах, где вроде бы за тысячелетия должны накопиться кварки, в метеоритах, космических лучах. Тщетно. Следы кварков пробовали обнаружить на старом Серпуховском ускорителе — и опять нулевой эффект.

Этот результат охладил многие горячие головы. Раздались голоса, что кварки — всего лишь удобная абстракция, что, возможно, в будущем на вопрос, что такое кварк, физик лишь недоуменно пожмет плечами: теория кварков к тому времени будет забыта.

Родилось и окрепло другое предположение — кварки принципиально нельзя обнаружить. Нуклоны и гипероны (вместе они называются барионами) построены из трех кварков, мезоны — из двух (кварк и антикварк). Так утверждает теория. Вот, скажем, мезоны чем-то похожи на магнит, говорят сторонники ненаблюдаемости кварков. А ведь любая попытка отделить северный магнитный полюс от южного обречена на провал. Разрежьте магнит на две части: каждая станет самостоятельным магнитом со своими полюсами. Так и любая попытка разъединить компоненты мезона ведет к образованию новых кварка и антикварка: вместо одного мезона мы получим пару — и только!

Тут мы сталкиваемся с величайшей загадкой современной физики. Выводы из гипотезы кварков удивительно совпадают с опытными данными. Но бесчисленные попытки обнаружить кварки экспериментально пока безрезультатны. Скорее всего, загадочность кварков — лишь результат нашего незнания.

Ученые внимательно читают «Книгу природы», но не знают, где у нее начало, где конец. Листают случайные страницы, к тому же написанные на непонятном языке. Время от времени появляются новые действующие лица (кварки?). Чтобы понять их роль в повествовании, приходится напрягать воображение, логику, интуицию хотя бы для приблизительного понимания авторского замысла. Изучая микромир, человек все глубже погружается в мир абстракций, который не может не быть странным и таинственным. Не хватает понятий, ярлычков, да и просто слов для обозначения удивительных объектов и закономерностей. Отсюда и кварки, заимствованные Гелл-Манном из фантасмагорического романа Джойса «Поминки по Финнегану»,— нечто дикое, невообразимое, немыслимое. Любопытно, что другой первооткрыватель — Цвейг — дал иное название этим частицам: «тузы», однако картежная терминология не прижилась.

Произвольность «этикеток», семантический «салат» — прямое следствие необычности мира микрочастиц. Адроны различаются не только вроде бы понятными нам зарядом, массой, но и барионным зарядом, спином и еще особым свойством, которое получило название «странность». Есть даже закон сохранения странности. Сохранение энергии, заряда, импульса — школьные истины. Это вроде бы понятно. Другое дело — сохранение странности. Тут человек оказывается на зыбкой почве абстракций. Эти вещи столь же условны, как следующая воображаемая картина.

Представьте себе громадные весы, на одной чашке которых — лошадь и мышь, на другой — корова и собака. И ученого-физика, утверждающего, что лошадь + мышь могут превратиться в корову + собаку, так как, дескать, ни один из восьми законов сохранения — веса, количества живности, числа голов, глаз, хвостов, лап (проверьте сами!), числа млекопитающих и свойства волосатости — не нарушен. Тот же физик в то же время не примет, однако, такое «равенство»: самолет плюс бабочка равняется вертолет плюс альбатрос. И возразит: хотя сумма веса, количество объектов, число моторов остаются неизменными, однако суммарное число крыльев (вертолет!) оказывается разным.

Разговор о кварках можно было бы продолжать очень долго и говорить о глюонах — особых переносчиках цвета, о кварке № 4, обладающем шармом, или очарованием («Мы назвали наш кварк «очарованным», так как были восхищены и очарованы той симметрией, которую он внес в мир субъядерных частиц»,— вспоминал позднее один из авторов этого термина), о поразительном: теория цветных кварков уже получила экспериментальное подтверждение на ускорителях (конечно, никто цветной кварк не видел и не увидит, но косвенные улики выдают его с головой!)

Но для нас сейчас важно другое: действительность обладает такими свойствами, которые не смог бы придумать даже самый изощренный и необузданный фантаст. Поэтому довольно неубедительными кажутся призывы заменить дорогостоящие ускорители «серым мозговым веществом», больше концептуально мыслить, предвосхищать законы природы, не выходя за стены кабинета. Не накапливать новые факты с помощью ускорителей, а обходиться более искусным использованием «теории, веревочек и сургуча». Но десятилетия застоя в изучении гравитации показывают, что может произойти даже с самым интересным предметом без давления новых фактов.

Решение об ограничении исследований на ускорителях может иметь и роковые последствия.

К XV столетию китайцы достигли высокого мастерства в вождении кораблей по океанам, оставлявшего далеко позади уровень Европы. Затем во время неожиданного изменения интеллектуального климата контроль при дворе императора перешел к партии изоляционистов. Большие корабли были сожжены, их экипажи распущены. Это произошло в те самые годы, когда маленькие португальские суденышки огибали мыс Доброй Надежды…

«Демократия» в микромире

Продолжаем рассказ о том, что уже дали науке ускорители. Строить большое из малого, тяжелое из легкого — вот правило, которым всегда руководствовались ученые и которое неизменно приносило успех. Этот взгляд на вещи подсказывает человеку здравый смысл, весь опыт прошлого. Однако сейчас намечается кризис концепции слов «состоит из». Так, например, для физиков все чувствительнее становится нарушение закона сохранения массы: масса составной частицы, состоящей из других частиц, всегда меньше, чем сумма масс этих же частиц. Взаимная превращаемость микрочастиц, возможность рождения и уничтожения их — это совершенно новые черты, отличающие современный атомизм от атомизма прошлого.

Чтобы более прояснить ситуацию, приведем еще пример. Свободный нейтрон — частица нестабильная: вылетев из ядра, он примерно через 17 минут распадается на протон, электрон и антинейтрино. Но, с другой стороны, при столкновении двух протонов могут появиться среди прочих частиц и нейтроны. Иными словами, в равной мере можно считать, что протон «входит» в состав нейтрона и нейтрон «входит» в состав протона. Таким образом, каждая микрочастица как бы состоит из всех остальных, и в этом смысле все они одинаково элементарны. Эта введенная американским физиком-теоретиком Д. Чу концепция «ядерной демократии» утверждает: и те частицы, которые предстоит еще открыть, будут не более элементарны, чем уже известные.

Так в противовес старым взглядам современная ядерная физика практикой своих экспериментов формулирует радикально новый тезис, согласно которому в микромире все состоит из всего.

Мы со многим смирились. Математики объяснили нам, что вопреки здравому смыслу часть может быть равной целому (теория бесконечных множеств). Ну, хорошо, согласились мы, но уж часть-то никак не может превосходить целое! Однако физики и тут показали, как мы еще все-таки наивны.

Может ли слон залететь в кастрюлю? Странный, казалось бы, вопрос! Но разве не столь же странно положение «толстых» кварков (полагают, что масса кварка во много раз превышает массу протона), втиснутых в чрево «худенького» протона? А ведь это в микромире не исключение, а правило, согласно которому по массе часть всегда превосходит целое.

Эти и многие другие примеры назойливо внушают нам: при входе в микромир надо непременно сбросить «галоши» антропоморфизма, снять «очки» так называемого здравого смысла и сдернуть «плащ» шелухи человеческих мерок и привычек. Все это дается человеку с большим трудом, шокирует, травмирует… В самом деле, человек, словно змея, должен менять, непрерывно сбрасывать «кожу» своих представлений.

А если вернуться от эмоций к логике, надо отметить следующее: предположение о применимости нашей интуиции к сколь угодно малым масштабам глубоко ошибочно. Так, сейчас у физиков преобладает мнение, что среди наблюдавшихся до сих пор микрочастиц, по-видимому, нет «аристократов». Но стопроцентно утверждать это мы не можем. И одна из основных программ будущих исследований на ускорителях — прояснение дилеммы: «демократия» или «аристократия».

Белая ворона микромира

Проектируемая энергия новых ускорителей — 2—5 тысяч ГэВ. Казалось бы, глупо спрашивать, почему выбраны именно эти цифры: по дороге в неизведанное сюрпризы могут подстерегать исследователя на любом километре! Удивительно, однако, что физики знают, чего хотят. И величины 2—5 тысяч ГэВ выбраны не случайно. Именно за этим порогом может проясниться природа слабых взаимодействий.

Уже отмечалось: увеличивая энергию, физики получают возможность заглянуть во все меньшие области пространства.

В областях с размерами 10^-5 —10^-7 сантиметра исследователи проникли в мир кристаллов, атомов — возникла кинетическая теория материи. Затем, перешагнув еще один-два порядка, человек открыл царство атомных явлений, управляемых квантовой теорией. На расстояниях 10^-11 сантиметра ученых подстерегала неожиданность: при этих энергиях стало возможным рождение светом электронно-позитронных пар, энергия превращалась в вещество! Эти явления уже описываются релятивистской квантовой теорией Дирака. На расстояниях 10^-13 сантиметра (размеры ядер) возникла физика атомного ядра. А с расстояний 10^-14 – 10^-16 сантиметра началась физика адронов и их возбужденных состояний — раскрылся мир так называемых «странных частиц».

Энергиям 2—5 тысяч ГэВ соответствует характерный масштаб 10^-17 сантиметра. Почему столь интересна именно эта длина? Оказывается, дело в том, что этот размер органически содержится в современной теории микромира. 10^-17 сантиметра — это длина, характеризующая слабые взаимодействия.

Двадцать веков отделяют нас от науки древнего мира. Большой срок. Однако в понимании самых общих свойств природы мы в каком-то смысле недалеко ушли от древних. Античные греки полагали: все в мире слагается из четырех сущностей, четырех стихий — земли, воды, воздуха и огня, не связанных меж собой каким-то единством. Современный физик также «исповедует» четыре стихии, четыре поля сил — сильного (ядерного), электромагнитного, «слабого» и гравитационного.

Это своеобразные «стихии» современной физики. Ученые, конечно, понимают, что должна быть глубокая связь между этими стихиями, но уловить ее пока не могут. В свое время Фарадей увязал магнитные и электрические явления. Максвелл оформил эту связь в известных уравнениях. Но вот Эйнштейну не удалось связать в единой картине гравитационные и электромагнитные взаимодействия. И Гейзенберг потерпел неудачу: он хотел на основе некоего фундаментального ф-поля добиться успеха в понимании некоторых сторон этого единства.

Мы надеемся, что это временные трудности и когда-нибудь будут созданы единые уравнения типа уравнений Максвелла, которые автоматически выдадут весь наблюдаемый спектр элементарных частиц. И можно будет, к примеру, понять величину единицы электрического заряда, уяснить роль гравитации во взаимосвязи отдаленных звезд с атомами и многое другое.

Это в будущем. А сейчас что же обещают нам энергии в 2—5 тысяч ГэВ? Характерная черта слабых взаимодействий — они усиливаются с ростом энергии сталкивающихся частиц. На расстояниях, приближающихся к 10^-17  сантиметра слабое взаимодействие перестает быть «слабым»: становится сравнимо не только с электромагнитным, но даже с сильным взаимодействием.

Далее, слабые взаимодействия интересны тем, что они охватывают, пожалуй, более широкий круг явлений, чем даже электромагнитные, ибо в них участвуют почти все частицы — не только электрически заряженные, но и нейтральные. В этом их универсальность.

Если рассуждать совсем грубо, то на энергиях 2—5 тысяч ГэВ физики хотят узнать, какая из цифр — тройка или четверка — более близка микромиру. Если точнее: трехчастична или же четырехчастична природа элементарных взаимодействий?

Еще со времени Ферми (1934 год) теория слабых взаимодействий формулировалась как взаимодействие с участием четырех частиц: при р-распаде нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Поразительно, что все другие взаимодействия исключительно трехчастичные. Так, нейтрон, испуская л мезон, превращается сильным взаимодействием в протон.

Вот и получается, что по ряду свойств слабые взаимодействия можно считать «белой вороной» в семействе известных полей-стихий.

Уже лет тридцать 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 W-мезон (первое трехчастичное взаимодействие). А этот промежуточный мезон уже затем распадается на электрон и антинейтрино (второе трехчастичное взаимодействие).

Пока, несмотря на упорные поиски, W-мезон не обнаружен. Но идея унификации типов взаимодействий столь привлекательна, что на всех ускорителях вновь и вновь ставятся эксперименты по поиску W-мезона.

Так вот, энергии 2—5 тысяч ГэВ — это как раз та предельная область, для которой имеет смысл идея промежуточного мезона и его поиски. Для судьбы W-мезона эксперименты на новом синхрофазотроне должны стать решающими.

Если вопреки очень большим надеждам будет получен отрицательный результат, если «слабые» силы сами являются элементарными, то возникнет другая соблазнительная мысль. Окрепнет вероятность свести все остальные взаимодействия — электромагнитные, ядерные, гравитационные — к одному, к взаимодействиям слабого типа. Поразительно, но оба ответа («да» и «нет») в экспериментах на ускорителе одинаково важны. Ситуация беспроигрышная!

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.

Автор: Ю. Чирков, доктор химических наук.