Загадки микромира

Сенсационные результаты экспериментов Р. Хофштадтера по рассеянию быстрых электронов способствовали появлению составных моделей элементарных частиц.

В наиболее удачной составной модели, предложенной японским ученым Сакатой, такими основными частицами, из которых строились все остальные, были выбраны лямбда-гиперон, протон и антинейтрон. В ней нашла свое дальнейшее развитие идея выдающихся теоретиков Ферми и Янга, впервые предложивших построить элементарную частицу, пи-мезон, из нуклона и антинуклона, то есть из частиц в несколько раз более тяжелых.

Успешное описание этой моделью ряда ядерных реакций и предсказание ею некоторых свойств частиц вызвало взрыв «моды» на составные модели. Теперь чуть ли не каждый теоретик (и даже нетеоретик) считал для себя делом чести создать собственную, пусть даже экстравагантную, модель элементарной частицы. Но открытие новых частиц, исследование взаимодействия между ними отбрасывали эти эфемерные построения одну за другой. Даже серьезная гипотеза Сакаты не выдержала испытания временем, потому что в ней неудачно были выбраны основные частицы.

Однако математический аппарат этой модели позволил обнаружить новые закономерности в мире элементарных частиц. Идея Сакаты о возможности построения их из трех основных была ближайшей предысторией кварковой модели строения материи, о которой мы узнаем в следующей главе.

Любопытно, что еще в начале века, когда была известна единственная элементарная частица — электрон, Дж. Дж. Томсон уже пытался понять ее строение. В лекции, так и названной — «По ту сторону электрона», — он сказал:

«Быть может, некоторые из вас готовы меня спросить: следует ли идти за пределы электрона, не будет ли это слишком далеким? Не надо ли где-нибудь провести границу? Очарование физики в том и состоит, что в ней нет жестких и твердых границ, в ней каждое открытие не является пределом, а только аллеей, ведущей в страну еще не исследованную, и сколь бы долго ни существовала наука, всегда будет изобилие нерешенных проблем и физикам никогда не будет опасности стать безработными».

В своей книге, изданной в 1958 году, академик М. Марков говорил о необыкновенной сложности современного образа элементарной частицы, когда каждая из них «начинает представляться сложной композицией всех „элементарных“ частиц. Если, действительно, все частицы необходимы для построения образа каждой из них, то естественно искать какой-то другой „материал“, более элементарный в том смысле, что он явился бы общим для всего списка фундаментальных частиц».

Новый Линней

Не оступился в этой осыпи,

Не сбился, тайну тронув,

Добился правды каждой особи

В мильярдах электронов.

П. Антокольский

Кто есть кто?

Картина строения материи, добротно нарисованная тремя чистыми «красками»: электронной, протонной и нейтронной, — была так же проста, как детский рисунок.

Ее композиция, определенная строением атома и атомного ядра, без труда толковалась на основе квантовой механики. Казалось, что достаточно прорисовать еще несколько деталей, относящихся к ядру и составляющим его нуклонам, и картина будет завершена.

Однако открытие огромного мира элементарных частиц разрушило эту надежду. Вчерашний шедевр на самом деле оказался лишь предварительным этюдом к будущей картине строения материи.

Если просто нанести на него сотни найденных частиц материи, то, кроме ощущения чего-то непонятного, крайне запутанного и сложного, новая картина ничего не даст. Ясность возникнет лишь в том случае, если каждая частица займет в общей картине предназначенное ей место, когда видна будет взаимная связь между всеми отдельными элементами целого.

Но чем руководствоваться ученым в своих поисках, если нет даже самого примитивного «ранжира» среди элементарных частиц? Может быть, удастся разобраться в общественном положении граждан микромира, если найти принцип «элементарности» частиц?

Но современная теория по-прежнему говорит о точечной частице и в этом смысле не «видит» разницы между легким электроном и тяжелым резонансом. А разница эта прямо-таки бросалась в глаза.

Лептоны: электрон, мю-мезон и нейтрино — не участвуют в сильных взаимодействиях, у них не обнаружена внутренняя структура.

В огромной армии сильно взаимодействующих частиц: нуклонов, тяжелых мезонов, гиперонов, резонансов — иные законы и порядки. Большинство из них распадается на более легкие частицы. А найденная сложная электромагнитная структура у нуклонов и пи-мезонов еще более укрепила подозрения ученых в «неэлементарности» этих частиц. Но, не имея пока возможности доказать это, физики просто лишили их права называться элементарными и стали пользоваться термином «фундаментальные».