Охота за кварками - Чирков Юрий Георгиевич

Как иголку в стоге сена

Изучение элементарных частиц часто принимает форму диалога между теорией и экспериментом. Теоретики предсказывают существование новых частиц и явлений и передают слово экспериментаторам. Те конструируют и изготовляют тончайшие приборы и приступают к опытам.

В результате получают то, или не совсем то, или уж совсем не то, чего ожидали теоретики. Последние оценивают опытный итог и снова высказывают идеи экспериментаторам. Те опять включают свои машины. И так далее, и так далее.

Как обнаружить распад протона? А. Беккерель открыл радиоактивность урана с помощью кристалла урановой соли весом всего в несколько граммов (самый быстро распадающийся изотоп урана — уран-234 — имеет краткий век). Понятно, что в случае с протонами граммов вещества будет недостаточно. Самый простой способ обнаружить распад протона (будем для определенности считать, что время его жизни составляет 1031) — это наблюдать в течение года по меньшей мере за 1031 протонами.

Масса такого количества протонов составляет что-то около 18 тонн. Но на практике неизбежно разбавление протонов нейтронами, поскольку они, как и протоны, имеются в ядрах любого вещества, поэтому вес «детектора» — это может быть вода, железо и другие вещества — должен быть больше; как минимум надо «иметь под рукой» тысячу тонн.

А чтобы действовать наверняка, необходимо увеличить этот вес до 10 тысяч тонн. Тогда можно было бы надеяться зарегистрировать примерно дюжину случаев распада протонов за год.

А теперь представим себе, как будет проходить такой эксперимент.

На глубине сотни (лучше тысячи) метров под поверхностью планеты надо найти или вырубить в скальных породах полость размером в десятки кубических метров.

Готово? Тогда грузим тяжеловесные составы (сцепленные из специально обработанных изнутри цистерн) особо чистой водой. Ее предварительно следует отфильтровать от примесей самым тщательным образом до кристальной прозрачности!

Затем эту доставленную к «шахте» воду надо с большими предосторожностями закачать в облюбованный подземный резервуар.

Но и этого мало. Стенки резервуара должны быть увешаны тысячами архичувствительных регистрирующих счетчиков.

В общем-то идея эксперимента проста. Вот только реализовать ее не так-то легко. Ведь требуется, по пословице, обнаружить иголку в стоге сена.

Первая трудность — примеси в воде. Даже мельчайшие концентрации посторонних веществ в жидкости могут имитировать распад протона и ввести экспериментаторов в заблуждение.

Вторая трудность — наличие громадных объемов вещества, необходимого для обнаружения распадов протона, влечет за собой нужду в пропорционально большом количестве регистрирующих приборов. К примеру, потребуются многие тысячи одних только фотоэлектронных умножителей.

Но еще больших хлопот доставляет проблема фона.

Искомый сигнал, свидетельствующий о распаде протона, может затеряться в шумах, вызванных не относящимися к делу явлениями.

Фон может быть внутренним, связанным с радиоактивностью воды и примесей, и внешним, космическим.

Этот наиболее неприятен.

Если установку расположить на поверхности Земли, то в кубометре воды за год произойдет примерно 109 реакций, вызванных космическими лучами. И отношение полезного сигнала к шумам будет ничтожным.

Космические лучи и гонят экспериментаторов под землю, заставляют размещать цистерны с водой в глубоких шахтах или туннелях. Стальные стенки метровой толщины не могут оградить испытуемое вещество от пришельцев из космоса, приходится в качестве щита использовать километровые земные толщи.

Но все эти трудности только раззадоривают физиков, мобилизуют их энергию, волю. Слишком велик научный куш, слишком высока цена победы!

Эксперимент века

Сейчас в поиски распадающихся протонов включились большие группы физиков на всех континентах, исключая лишь Австралию.

В СССР в Баксанской нейтринной обсерватории (Северный Кавказ) на глубине 850 метров под горой Андырча, что в Баксанском ущелье, успешно действует установка, вес которой около 300 тонн. Возможно, для этих же целей будет использована в будущем и соляная шахта вблизи города Артемовска на Украине.

Подобные же устройства функционируют в золотых, соляных и прочих шахтах Индии, Японии и других стран. Пока (данные 1983 года) самый большой детектор весом в 10 тысяч тонн воды находится в США в штате Огайо. Но Италия намерена побить этот рекорд — ввести в действие 12-тысячетонное устройство. А анализировать распады протона в нем будут черепковские счетчики.

Трудности подобных экспериментов становятся все очевиднее. Не так-то просто разместить такую уйму сверхчистой воды на глубинах в несколько километров.

Кроме того, в сырых и душных шахтах нелегко работать пе только экспериментаторам, но и приборам. А вот еще более серьезное затруднение.

Если время жизни протонов (обозначим его через tp) значительно превышает 1033 лет (теоретики смогли установить только нижнюю границу их жизни), то сооружение более крупных детекторов может оказаться и вовсе бесполезным. Ибо вместе с ростом детекторов будет пропорционально расти и неустранимый фон шумов.

При tp больше 1035 лет в установках пойдут реакции, инициированные нейтрино. Они практически полностью имитируют протонные распады. Остается лишь надеяться, что физикам повезет: что tp меньше 1035 лет.

Многие научные обозреватели справедливо называют поиск распадающихся протонов экспериментом века.

И вот почему.

Прежде всего будет доказана (если протон нестабилен) реальность великого объединения. Со всеми вытекающими отсюда последствиями. Их стоит перечислить.

Во-первых, будет существенно подкреплена кварковая гипотеза.

Во-вторых, удастся приоткрыть завесу над таким загадочным обстоятельством, как отсутствие в нашей Вселенной антивещества.

И наконец, космологи с помощью физиков смогут проэкстраполировать процесс развития Вселенной далеко в будущее, вплоть до времени, когда Вселенной исполнится 10100 (!) лет. Если протон не вечен, то, по предсказаниям ученых, к этим почтенным срокам все протоны распадутся, а все галактики превратятся в «черные дыры»…

Эксперимент века должен решить множество проблем. Оттого-то физикам не терпится. Один из них выразился так: «Если уж протону суждено умереть, пусть он умрет у нас на руках и поскорей!»

А вот мнение Л. Окуня: «Если распад протона будет обнаружен экспериментально, то это надо будет рассматривать как особую благосклонность Природы к физикам». Ибо, продолжает ученый, «нам удалось бы заглянуть, как сквозь замочную скважину, в «горячую лабораторию» великого объединения». Поясним последние слова.

Ныне физики как бы пытаются по нескольким костям (распад протона) восстановить облик древнего ящера.

А если говорить без риторических фигур, они хотят понять суть явлений, масштабы которых сейчас кажутся фантастическими.

Это мир расстояний порядка 10-29 сантиметра, или, по-иному, мир частиц (они уже получили особое название: векторные Х- и Y-бозоны) с чудовищными массами в 1015 mр, где mp — масса протона.

Пояснить дерзость этого научного предприятия можно так. Если когда-нибудь и будет построен ускоритель с радиусом, равным радиусу земного шара, то и тогда можно было бы наблюдать частицы всего лишь с массой (107- 108)mр. Если же мы во что бы то ни стало захотим добиться рождения Х- и Y-бозонов, то придется строить ускоритель длиной около светового года!

Теперь, надеемся, понятно, как заманчиво проникнуть в тайники природы окольными путями, не строя ускорителей, а изучая лишь распады протонов.

«Калибровочная» пустыня

И. Ньютон верил в простоту мира. «Природа довольствуется простотой, писал он, — и не любит пышности излишних причин». Однако «простота» И. Ньютона была позднее подправлена А. Эйнштейном, а сейчас многие физики считают, что и его уравнения также необходимо усложнить и модифицировать.