Де ви, кварки?
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Світ явно влаштований так, як якщо б кварки існували. Немає жодного факту проти цієї гіпотези, і багато фактів її підтверджують. І все ж, поки кварки не виявлено безпосередньо, не можна бути до кінця впевненим у їх існуванні. Де ж повинні бути кварки? Де шукати їх?
По-перше, в прискорювачах, у зіткненнях швидко літаючих частинок. Але щоб розбити протон на складові його кварки, необхідна фантастично величезна енергія.
Кварки утворюються (звичайно, якщо вони взагалі існують) в потоці космічних променів, де зустрічаються частинки з енергією в сотні разів більшою, ніж у найпотужніших сучасних прискорювачах. Як не малий відсоток високоенергетичних космічних частинок, Земля піддається їх дії вже 5 мільярдів років. За цей величезний час вільні кварки повинні були би накопичитися в чималому числі.
Утворені в атмосфері кварки, як і всякі заряджені частинки, випадають разом з дощем і снігом. Більша частина потрапляє в океан, менша — на сушу, звідки багато шансів разом з річковою водою скотитися знову-таки в океан. Значить, ось вже п’ять мільярдів років кварки накопичуються в океані, де їх, здавалося б, неважко виявити. На жаль, надії немає: концентрація кварків в морській воді складає, за розрахунками, 10 у мінус 10 градусів, тобто на кожен кубічний кілометр води (мільярд тонн!) доводиться всього близько міліграма кварків.
Є ще, бути може, кварки, що залишилися від «створення світу». Дійсно, якщо всі елементарні частинки побудовані з кварків, то колись не було на світі нічого, крім цих частинок. Я. Б. Зельдович, І. Б. Окунь і С. Б. Пинельнер вирахували, скільки їх могло вціліти до наших днів. Цікаво, що концентрація допотопних кварків в земних речовинах знову-таки не здатна перевищувати 10 у мінус 10 ступені — а це занадто мало. Існуючі методи аналізу здатні вловити лише в мільярди разів більш високі концентрації.
І все ж експериментатори шукають шляхи обходу труднощів. Досліди плануються на найближчий час.
Робиться розрахунок на те, що вільний кварк — єдина електрично заряджена частинка з дробовим зарядом, яка не може бути скомпенсована: адже у всіх інших тіл і частинок Всесвіту заряд обов’язково виражається цілим числом, кратним величині заряду електрона. Знайти тіло з нецілим електричним зарядом — значить підтвердити передбачення Гелл-Манна.
Заради цього пропонують збагатити океанічну «кваркову руду» перегонкою. Правда, проста перегонка води не допоможе. Кварки, хоч і не будуть випаровуватися (з-за своєї великої маси), але в осаді виявиться стільки солей і бруду, що концентрація кварків залишиться як і раніше зникаюче малою. Не допоможе очищення води за допомогою фільтрів, тому що заряджені кварки першими пристануть до будь-якого фільтру, і будь-якої стіни.
Концентрувати кварки потрібно інакше. У вакуумну камеру заливається океанська вода, дрібні крапельки якої миттєво перетворюються в пару. Прикладене поперечне електричне поле розганяє в одному напрямку всі заряджені частинки, яких безліч утворилося в парі. Але на шляху частинок розташована діафрагма, «що вирізає» дуже вузький пучок заряджених частинок, що проходить потім через електричну лінзу. Всі заряджені частинки фокусуються лінзою на різних відстанях, в залежності від їх маси і заряду. Десь в строго визначеному місці опиняться сфокусованими і кварки, яких, як сподіваються фізики, виявиться тут в мільярд разів більше, ніж було у вихідній воді. А така їх кількість вже доступна для аналізу.
Висунуто й інший проект. Коли на початку минулого століття американський фізик Міллікен ставив свої знамениті досліди по визначенню мінімального електричного заряду, він користувався мікроскопічними крапельками добре очищеного масла, в яких, напевно, не було кварків — вони неминуче б застрягли на фільтрі при очищенні олії. Крім того, тисячі краплинок у всіх дослідах Міллікена важили менше мільйонної частки грама, тобто було проаналізовано речовини в тисячу разів менше тієї кількості, в якій може знайтися хоча б один кварк. Словом, у Міллікена кварків бути не могло. Звідси висновок: треба скористатися речовиною, збагаченою кварками, і повторити досліди Міллікена за допомогою сучасної апаратури — в мільйон разів більш чутливої. Тоді можна буде розраховувати на успіх цього азартного полювання.
Є і ще один шлях. Через лічильник космічних променів площею в один квадратний метр за 3,5 місяця (а такий експеримент вже можна поставити) має пройти кілька тисяч кварків, які, можливо, вдасться виявити.
До ловлі кварків приєдналися і астрономи. Деякі зірки випускають густий потік досить енергійних частинок, які можуть сприяти утворенню помітної кількості кварків. При цьому повинні виникнути, правда в невеликій кількості, воднеподібні «кварко-атоми», де навколо протона обертається не електрон, а негативно заряджений кварк. Ці атоми випромінюють спектр, схожий на спектр водню, але найінтенсивніша його лінія буде ультрафіолетова (довжина хвилі близько 2750 ангстрем). Ось астрономи і сподіваються виявити відповідну лінію в спектрі відповідних зірок. Якщо це вдасться, то кварки виявляться спочатку відкритими на небі, як сто років тому «сонячний газ» гелій. А вже потім, мабуть, їх відшукають на Землі.
Готуються до пошуку кварків і хіміки, і геохіміки. Не виключено, що кварки або кварко-атоми відчувають хімічну схильність до якогось хімічного елементу і жадібно з ним поєднуються. Тоді поклади, в яких зустрічається цей елемент, будуть і покладами кварків.
Сказали своє слово і біологи. Відомо, що деякі рослини здатні концентрувати в тканинах і клітинах рідкісні елементи, розсіяні в навколишньому середовищі. Нещодавно, наприклад, було встановлено, що в північній Фінляндії є лишайники, які накопичують стронцій-90. Бути може, знайдуться і рослини — накопичувачі кварків.
Автор: М. Карев.