Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

Продолжая наше путешествие по линейке масштабов вниз, в глубину атомного ядра, мы еще не раз увидим новые определения, новые базовые компоненты и даже новые физические законы, но фундаментальная квантово–механическая парадигма останется нетронутой.

Внутри атома мы первым делом рассмотрим элементы его внутренней структуры с размерами около 10 фемтометров, что соответствует одной стотысячной нанометра. Насколько нам удалось установить на сегодняшний день, электроны действительно фундаментальны, то есть вроде бы не состоят из каких бы то ни было иных, более мелких компонентов. Ядро, с другой стороны, фундаментальным объектом не является. Оно состоит из более мелких элементов, известных как нуклоны, или субъядерные частицы. Нуклоны бывают двух типов: протоны и нейтроны. Протоны обладают положительным электрическим зарядом, а нейтроны электрически нейтральны, то есть не имеют ни положительного, ни отрицательного заряда.

Чтобы разобраться в природе протонов и нейтронов, придется признать, что они тоже не фундаментальны. Великий физик-ядерщик и популяризатор науки Джордж Гамов так обрадовался открытию протонов и нейтронов, что решил, что достигнута окончательная «вторая граница»; он не считал, что возможны еще какие?то субструктуры. Вот его слова:

«Вместо довольно большого числа «неделимых» атомов классической физики мы получили всего лишь три различных сущности: протоны, электроны и нейтроны… Таким образом похоже, что мы действительно достигли дна в поиске базовых элементов, из которых сформировано все вещество».

Оказалось, что ученый немного поторопился. Субструктуры — более мелкие компоненты, чем протон и нейтрон — все же существуют, но обнаружить их было непросто. Должны были появиться технические средства, позволяющие изучать расстояния, меньшие, чем размеры протона и нейтрона; нужны были более высокие энергии или более миниатюрные датчики, чем те, что имелись в распоряжении физиков во времена, когда Гамов сделал свое неточное предсказание.

Если бы мы могли проникнуть в ядро и увидеть нуклоны, размер которых примерно соответствует одному ферми, что примерно в десять раз меньше размеров самого ядра, мы увидели бы также объекты, существование которых внутри нуклонов предсказали Мюррей Гелл–Манн и Джордж Цвейг. Гелл–Манн назвал эти единицы субструктуры кварками, позаимствовав, по собственному утверждению, это слово из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза: «Три кварка для мастера Марка!» Нижние и верхние кварки в нуклонах действительно представляют собой фундаментальные объекты меньших размеров (два верхних и один нижний кварки внутри протона показаны на рис. 16), которые сила, известная как сильное ядерное взаимодействие, связывает в протоны и нейтроны. Несмотря на обычное название, сильное взаимодействие представляет собой особую силу природы и дополняет остальные известные типы фундаментальных взаимодействий — электромагнетизм, гравитацию и слабое взаимодействие, о котором мы поговорим позже.

Сильное взаимодействие называется сильным, потому что оно… сильное — это подлинная цитата из объяснения одного из моих коллег–физиков. Звучит глупо, конечно, но на самом деле это правда. Именно поэтому кварки можно обнаружить только в связанном состоянии в таких объектах, как протоны и нейтроны, для которых сильное взаимодействие в целом нейтрализуется. Это взаимодействие настолько сильно, что в отсутствие иных сил компоненты, связанные сильным взаимодействием, невозможно было бы обнаружить отдельно друг от друга.

РИС. 16. Заряд протона переносится тремя валентными кварками — двумя верхними и одним нижним

Выделить один–единственный кварк невозможно. Кварки как будто намазаны чем?то особым, которое проявляет свои клеящие свойства на больших расстояниях (поэтому частицы, которые переносят сильное взаимодействие, получили название глюонов[22]). Представьте себе эластичную ленту, упругие свойства которой проявляются только тогда, когда ее растягивают. Внутри протона или нейтрона кварки могут свободно двигаться, но попытка удалить один из кварков на сколько?нибудь существенное расстояние потребовала бы дополнительной энергии.

Приведенное описание вполне корректно, но интерпретировать его нужно с осторожностью. Человек, естественно, представляет себе кварки как бы заключенными в мешок, где от внешнего мира их отделяет материальная преграда. Более того, одна из моделей ядерных систем, по существу, рассматривает протоны и нейтроны именно в таком ключе. Однако она, в отличие от других моделей, о которых мы будем говорить позже, вовсе не является гипотезой реальности. Ее единственная цель — производить вычисления в диапазоне расстояний и энергий, где действующие силы так мощны, что обычные методы расчетов неприменимы.

Протоны и нейтроны — не сосиски. У них нет искусственной оболочки, которая удерживала бы кварки внутри. Протон — это стабильный набор из трех кварков, которые удерживает вместе сильное взаимодействие. Благодаря этой силе три легких кварка, по существу, действуют как единый объект — протон или нейтрон.

Еще одно существенное следствие сильного взаимодействия — и квантовой механики — состоит в том, что внутри протона или нейтрона рождаются дополнительные виртуальные частицы, которые не живут долго, но в каждый отдельно взятый момент вносят свой энергетический вклад. Массу, а следовательно, и энергию, согласно знаменитой формуле Эйнштейна E = mc², в протоне и нейтроне имеют не только сами кварки, но и та сила, что их связывает. Сильное взаимодействие подобно эластичной ленте, которая связывает два мяча и сама по себе содержит энергию. Если «ущипнуть» эту ленту, запасенная в ней энергия позволит родиться новым частицам.

До тех пор пока суммарный заряд новых частиц равняется нулю, этот процесс рождения частиц из энергии в протоне не нарушает никаких известных физических законов. К примеру, положительно заряженный протон при рождении виртуальных частиц не может внезапно превратиться в нейтральный объект.

Это означает, что каждый раз, когда кварк — который сам по себе представляет собой частицу с ненулевым зарядом — рождается, одновременно должен родиться и антикварк, то есть частица, по массе идентичная кварку, но с обратным зарядом. Более того, пары «кварк — антикварк» могут как появляться, так и исчезать. К примеру, кварк и антикварк при аннигиляции могут породить фотон (частицу, которая передает электромагнитное взаимодействие), который, в свою очередь, породит новую пару «частица/античастица» (рис. 17). Их суммарный заряд равен нулю, так что ни с рождением, ни с гибелью пары заряд внутри протона не изменится.

РИС. 17. Достаточно энергичные кварки и антикварки могут аннигилировать с выделением энергии, которая, в свою очередь, создает другие заряженные частицы и соответствующие им античастицы

Помимо кварков и антикварков протонное море (это не метафора, а технический термин!), состоящее из возникающих виртуальных частиц, содержит также глюоны — частицы, отвечающие за сильное взаимодействие. Они аналогичны фотонам, при обмене которыми между электрически заряженными частицами возникает электромагнитное взаимодействие. Глюоны (их существует восемь различных типов) подобным образом передают сильное взаимодействие. Ими обмениваются частицы, обладающие зарядом, который является объектом сильного взаимодействия; обмен глюонами связывает кварки воедино или отталкивает их друг от друга.

Однако в отличие от фотонов, которые не имеют электрического заряда и потому не подвергаются непосредственному действию электромагнитных сил, глюоны и сами являются объектом сильного воздействия! В то время как фотоны способны передавать взаимодействие на громадные расстояния — ведь мы можем включить телевизор и увидеть сигнал, переданный в эфир за много километров от нашего дома, — глюоны, как и кварки, не могут уйти далеко, прежде чем взаимодействие осуществится. Глюоны связывают объекты на расстояниях, сравнимых по размеру с протоном.

Если представить себе внешний вид протона и сосредоточиться только на элементах, несущих его заряд, можно сказать, что протон состоит из трех кварков. Это три валентных кварка — два верхних и один нижний, — которые вместе формируют его заряд. Однако помимо трех кварков, ответственных за заряд, внутри протона существует целое море виртуальных частиц — пар «кварк — антикварк» и глюонов. Чем подробнее мы будем рассматривать протон, тем больше виртуальных кварк–антикварковых пар и глюонов обнаружим. Их конкретное распределение зависит от энергии, с которой мы будем их зондировать. При тех энергиях, с которыми сегодня можно сталкивать протоны, мы видим, что значительную часть их энергии несут виртуальные глюоны, кварки и антикварки различных типов. Они никак не влияют на электрический заряд частицы, но, как мы увидим позже, важны для корректного предсказания результатов протонных столкновений, когда нам необходимо знать, что находится внутри протона и что конкретно переносит его энергию (более подробно строение протона см. на рис. 18).

Теперь, когда мы дошли до масштаба кварков, удерживаемых вместе сильным взаимодействием, мне бы хотелось рассказать, что происходит на еще более мелких масштабах. Имеет ли кварк внутреннюю структуру? Имеет ли ее электрон? На данный момент у нас нет этому никаких свидетельств. Ни один эксперимент до сих пор не дал никаких подтверждений существования структур более низкого уровня. В контексте нашего путешествия в глубь вещества кварки и электроны — это конец пути. Пока.

Однако в настоящее время БАК исследует энергии, более чем в 1000 раз превосходящие, — и соответственно расстояния, в 1000 с лишним раз меньшие, — чем энергии и расстояния, связанные с массой протона. БАК сталкивает между собой два протонных пучка, которые предварительно разгоняет до чрезвычайно высоких энергий — более высоких, чем все, что когда?либо имело место на Земле. Протонные пучки, о которых идет речь, состоят из нескольких тысяч сгустков по 100 млрд тщательно выровненных, или коллимированных, протонов, собранных в крохотные субстанции, циркулирующие по подземному туннелю. Вокруг кольца расположены 1232 сверхпроводящих магнита, назначение которых — удерживать протоны внутри трубы, пока электрические поля разгоняют их до высоких энергий. Другие магниты (392 штуки) переориентируют лучи таким образом, что два луча, вместо того чтобы лететь рядом, сталкиваются.

РИС. 18. Большой адронный коллайдер сталкивает высокоэнергетические протоны между собой; каждый из протонов содержит три валентных кварка и множество виртуальных кварков и глюонов, которые тоже могут принимать участие в столкновениях

Затем — здесь–?? все и происходит — магниты проводят два протонных луча по кольцу так точно, что они сталкиваются в области, меньшей по размеру, чем толщина человеческого волоса. При столкновении некоторая часть энергии ускоренных протонов превращается в массу, как гласит знаменитая формула Эйнштейна Е = mc². И при этих столкновениях высвобождается столько энергии, что могут родиться новые невиданные элементарные частицы, более тяжелые, чем все, что нам удавалось получить прежде.

При встрече протонов кварки и глюоны иногда сталкиваются на высоких энергиях в очень ограниченном пространстве — примерно как если бы сталкивались между собой набитые камешками воздушные шарики. БАК сообщает частицам столь высокую энергию, что в случае удачи друг с другом сталкиваются отдельные компоненты встречных протонов. В их числе, разумеется, те самые два верхних и один нижний кварки, которые обеспечивают заряд протона. При этом заметная часть энергии протона достается и виртуальным частицам. Поэтому в БАКе в столкновении участвуют не только три кварка, отвечающие за заряд, но и виртуальное «море» частиц.

Во время этого процесса — и именно здесь кроется ключ ко всей физике элементарных частиц — количество и типы частиц могут измениться. Полученные на БАКе результаты должны многое рассказать нам о самых маленьких расстояниях и размерах. Помимо информации о возможных субструктурах, они должны раскрыть перед нами новые аспекты физических процессов, существенные на этих расстояниях. Энергии, достигаемые на БАКе, представляют собой последний, по крайней мере в обозримом будущем, экспериментальный рубеж в мире сверхмалых масштабов.