В 1947 году в арсенале физиков четырнадцать частиц. Дальнейшие поиски шли все с большим и большим трудом, потому что главными источниками частиц высоких энергий все еще являлись космические лучи. Пока даже самые мощные ускорители разгоняли протоны лишь до энергий в 200 МэВ. Мало!
Но уже заложены и строятся новые, более мощные атомные машины. И постепенно центр тяжести исследования частиц перемещается от исследований в космических лучах к исследованиям на ускорителях.
Кроме того, изобретена пузырьковая камера — более новый и более совершенный прибор для изучения следов распада частиц, чем заслуженная камера Вильсона.
И следующий период, с 1947 года по 1955 год, дал физикам шестнадцать абсолютно новых, никем не предсказанных, удивительных частиц.
В середине пятидесятых годов, после принятия классификации по мультиплетам, предложенной Гелл-Манном и Нишиджимой, теоретики вроде бы поуспокоились. Возникло даже какое-то благодушное мнение, что новая классификация показывает близкое завершение множества элементарных частиц. И вдруг, когда этакое благодушие стало всеобщим, началось новое нашествие из микромира новых до сих пор невиданных пришельцев.
Если пятидесятые годы считались годами странных частиц, то шестидесятые по праву получили название «эпохи резонансов». Вот тогда-то и возник едва ли не впервые сакраментальный вопрос, так ли элементарны элементарные частицы, как мы то себе представляем?..
Сложившаяся ситуация стоит того, чтобы о ней рассказать в более или менее хронологическом порядке.
В 1952 году, изучая взаимодействие пионов с нуклонами на чикагском ускорителе низких энергий, Ферми и Андерсон столкнулись с любопытным явлением. Они обнаружили, что если увеличивать постепенно энергию пионов, налетающих на водородную мишень, то, начиная с некоторого значения этой энергии, вероятность рассеяния частиц вдруг резко возрастает. Потом она так же резко падает.
На графике зависимости вероятности рассеяния от энергии получался пик, очень похожий на хорошо известную всем резонансную кривую.
Явление было любопытным, непонятным и объяснения не находило. Может быть, обратиться к более привычной аналогии? Ну хотя бы к резонансному рассеянию света атомами… Этот механизм был физикам хорошо известен. Когда быстрый фотон удачно влетал в атом, то он переводил его систему в возбужденное состояние. Долго в таком состоянии атом продержаться не мог. Он излучал лишнюю энергию также в виде фотона и возвращался к устойчивому положению.
График резонансов
Среди физиков распространилось мнение, что и другие частицы можно перевести в возбужденные состояния. Тогда, к примеру, резонансы можно рассматривать просто как возбужденные нуклоны.
Представляете себе всю заманчивость этой идеи?.. Положить в основу мира две, три, ну пусть пять, не жалко, основных частиц, окруженных мезонными облаками. А все остальные считать их возбужденными состояниями. Поистине древняя как мир мечта свести все многообразие окружающего мира (в нашем случае микромира) к немногим первоначалам обладает удивительной притягательностью для ученых.
Тем временем подоспели более мощные ускорители. И на них удавалось получать кривые не с одним резонансным пиком, а с несколькими. Проблема больше не терпела отлагательства. Нужно было срочно решать, что эти резонансы собой представляют: возбужденные состояния или самостоятельные, хотя и нестабильные частицы?..
Особенно богатой «жатва резонансов» была в Калифорнийском университете, где работала группа исследователей под руководством Луиса Альвареца. Вот, например, как расшифровывали по следам одну из таких реакций. Энергичный К-мезон, столкнувшись в пузырьковой камере с протоном, образовывал пион и резонансный барион-сигма со звездочкой. Резонансная частица быстро распадалась на гиперон-ламбда и пион.
С одной стороны резонанс вел себя как возбужденное состояние сложной системы из старых знакомых — ламбда-гиперона и пиона. Но с другой — за короткое время своего существования резонанс имел все свойства суверенной, самостоятельной частицы…
Пожалуй, именно после таких открытий, физики согласились все же считать резонансы равноправными жителями микромира. Голубая мечта свести разнообразие к малому количеству первоначал — не осуществилась.
Принципиальное устройство камеры Вильсона: 1 — стеклянный цилиндр, наполненный газом; 2 — окно для наблюдений; 3 — радиоактивное вещество; 4 — поршень для уменьшения давления в камере
Более того, с ростом энергии частиц, разгоняемых во все более мощных ускорителях, количество частиц-резонансов неудержимо растет. И среди физиков зреет опасение, что этот процесс может и не остановиться…
С появлением резонансов рухнуло окончательно представление о частицах, как о «простых однородных шариках с размазанным по всему объему зарядом». «Само понятие элементарности потеряло свой первоначальный смысл… — с грустью констатировал Игорь Евгеньевич Тамм. — Сегодня мы вообще не можем отличить истинно элементарные частицы от составных».
В своей книге «Лекция по атомной физике» Энрико Ферми задает вопрос: «Что означает элементарная частица?» И отвечает так: «Автор в затруднении ответить на этот вопрос. Термин «элементарная» скорее относится к уровню наших знаний… Можно сказать, что на каждом этапе развития науки мы называем элементарными те частицы, строение которых мы не знаем и которые рассматриваем как точечные».
В конце шестидесятых годов физики задумали дерзкий эксперимент. Помните, как в начале века Эрнест Резерфорд вместе с учениками наблюдал рассеяние альфа-частиц на атомах тонкой золотой фольги? Только убедившись, что некоторые частицы отскакивают, словно натолкнулись на непреодолимую преграду, тогда как большинство свободно пролетает сквозь тоненький листочек золота, он пришел к определенному выводу и заявил своим «мальчикам», что знает, как устроен атом. Крошечное ядро, вокруг которого масса свободного пространства, в котором летают электроны. Это была планетарная модель…
Физики решили в принципе повторить опыт Резерфорда. Только мишенью у них были не атомы фольги, а протоны. Для этого им понадобился сосуд с жидким водородом. Ядра-то атомов водорода — протоны… А снарядами были не тяжелые и неповоротливые альфа-частицы, а юркие и пока «точечные» электроны.
Задача же оставалась той же, что и у Резерфорда: обстрелять протоны электронами и по картине рассеяния попытаться определить строение протона.
Звучит просто. Методика одна и та же. Я хотел бы только напомнить, что размеры ядра атома водорода примерно в сто тысяч раз меньше размеров всего атома. В соответствии с этим можно считать, что сложность задуманного эксперимента возросла не менее чем в квадрат этой разницы, то есть в 10 000 000 000 раз…
Эксперимент был подготовлен в Стенфордском центре линейных ускорителей, на машине длиной в 3,2 километра. Электроны разгонялись до энергий 21 ГэВ. Для выделения и классификации частиц, вылетающих из водородной мишени, к ускорителю пристроили три магнитных спектрометра, которые направляли частицы в целую сеть детекторов. Сигналы от их счетчиков передавались на большую вычислительную машину, которая обрабатывала результаты и запоминала их для дальнейшего анализа.
В общем, прямо надо сказать, эксперимент был поставлен с размахом. И он стоил того. Если бы протон представлял собой сплошной шар с размазанным по нему зарядом, то электроны, попадающие в него, тормозились бы и либо застревали, либо пролетали бы насквозь, потеряв часть энергии. Но и здесь, как в опыте Резерфорда, часть снарядов отскакивала от протона, рассеиваясь на большие углы, как будто внутри, как в вишне, встречалось им твердое образование — «косточка».
Что-то в этом роде экспериментаторы, конечно, ожидали увидеть. Иначе зачем бы они «городили весь этот огород». И все-таки сюрприз был. Непонятно, что именно находилось внутри протона, с чем отождествить эти «вишневые косточки»?..
Известный американский физик-теоретик Ричард Фейнман из Калифорнийского технологического института предложил назвать эти точечные образования «партонами» от английского слова part — часть. Но назвать еще не значит объяснить. Сначала Фейнман предложил попробовать на роль партонов мезоны. Однако экспериментаторы дружно его опровергли, тут же доказав, что партоны начисто лишены основных свойств мезонов. Тогда тот же Фейнман выдвинул на роль партонов — кварки… Тут спорить было труднее, потому что кварков пока никто в глаза не видел, и существовали они только в теории. Но предложение было интересным. Впрочем, чтобы понять, что в нем особенно интересного, надо сначала познакомиться с самими кварками…