Кварки, протоны, Вселенная

Выделение энергии в процессах слияния может быть огромным, как это происходит, например, при взрыве водородной бомбы, когда из каждых двух ядер тяжелого водорода, содержащегося внутри бомбы, образуется ядро гелия. Чем больше высвобождается энергии, тем более плотной и крепко связанной оказывается составная система — ядро или частица и тем труднее расщепить ее на части. Интенсивное силовое поле внутри такой системы напоминает густой сироп, в котором плавают ягодки-частицы.

Но вот что сейчас нам важно усвоить: масса поля, связывающего протон и нейтроны в ядро тяжелого водорода, в тысячи раз меньше их собственной массы. Поэтому, объединяясь в ядро, эти частицы не теряют своей индивидуальности — остаются сами собой. А вот внутри самого протона и нейтрона связи настолько сильны, что кварки, мезоны и другие частицы, из которых слеплен нуклон, почти полностью, если можно так выразиться, растворены в энергии их взаимодействия. Внутри элементарной частицы на связь ее частей уходит значительная доля общей энергии и массы. Это как раз и отличает элементарную частицу от тех частиц, которые мы называем составными, хотя и те и другие имеют сложную внутреннюю структуру.

Энергию связи вычислить нетрудно. Она равна разности массы частицы и суммы масс частиц — ее компонентов. Зная эту энергию, мы сразу можем сказать, элементарная перед нами частица или же составная, сложная.

Плохо только, что элементарных частиц набирается слишком уж много — несколько сотен, список их продолжает расти, и конца ему пока не видно. А если верить теории, то при слиянии любой пары частиц должна образоваться новая частица, поэтому число элементарных частиц вообще может оказаться бесконечным. Расчеты показывают, что, например, частиц, которые в 2—3 раза тяжелее протона, должно быть сотни тысяч, а частиц с массой в 5 раз тяжелее протона — сотни миллионов!

Трудно, по правде говоря, согласиться с тем, что природе понадобилось такое огромное количество простейших «строительных деталей». Весь наш предшествующий опыт свидетельствует о том, что природа всегда экономна в своих средствах. Но, с другой стороны, какое природе дело до нашего опыта и наших привычек?

В целом вся эта картина напоминает атомистику Демокрита и его последователей с бесконечным числом первичных элементов. Выходит, мы не так уж и далеко ушли от древних. С этим тоже не хочется соглашаться. Невольно напрашивается мысль о каком-то более глубоком уровне «суперэлементарных» частиц, будь то кварки, о которых говорилось выше, или еще что-то. Тем более что нечто подобное в истории науки уже было — с атомами химических элементов. Их ведь тоже немало, а когда-то все они тоже считались элементарными — равноправными и неделимыми.

Когда имеешь дело с выступающим из берегов океаном элементарных частиц, первое, что хочется сделать,— это попытаться все-таки выделить какие-то «наиболее элементарные» частицы, из которых можно составить все остальные. Таких попыток было много. Однако из них пока ничего не вышло: все частицы оказались в равной степени «элементарны», и любую из них можно включить в группу основных, из которых строятся все остальные.

И все-таки многолетние усилия физиков не пропали даром. Было установлено, что частицы можно разбить на группы — мультиплеты, и члены каждого из них можно рассматривать как различные состояния одной и той же частицы. Были найдены мультиплеты, состоящие из восьми и десяти частиц, — так называемые октеты и декуплеты. Известны мультиплеты, содержащие всего лишь по одной частице; их называют синглетами.

Мультиплеты объединяются в более сложные семейства — супермультиплеты. Уже неплохо изучены супермультиплеты, состоящие из 35 и 56 частиц. И самое главное, выяснилось, что мультиплеты и супермультиплеты не изолированы друг от друга, они связаны определенными соотношениями — правилами симметрии.

Получается нечто вроде периодической системы частиц, похожей на ту, благодаря которой Менделеев навел порядок среди химических элементов. И подобно тому как менделеевская система помогла открыть не известные ранее элементы, симметрия мультиплетов тоже предсказывает существование новых элементарных частиц, в том числе и кварков.

Все мы помним, что менделеевская таблица начинается с простейшего химического элемента — водорода, ядро которого состоит из одного протона. В той же клетке таблицы помещается собрат водорода — дейтерий с ядром из двух «слипшихся» частиц — протона и нейтрона. Эти два внутриядерных «кирпичика», образующие двухчастный мультиплет нуклон, и лежат в основе всей таблицы. «Периодическую таблицу» элементарных частиц возглавляет мультиплет, состоящий из трех кварков. Их можно считать «самыми элементарными», потому что из них можно построить все другие частицы — иногда простым «сложением», как атомные ядра из протонов и нейтронов, а иногда как возбужденные состояния уже построенных частиц.