Во-вторых, по-прежнему нуждалась в объяснении природа сил, склеивающих сакатоны в составные мезоны и барионы.
В-третьих, было неясно, чем же качественно выделены именно протон, нейтрон и лямбда-гиперон среди всех других барионов и мезонов. Почему и в каком смысле именно они должны быть более элементарными, чем другие адроны? Ведь массы протона, нейтрона и лямбда-гиперона очень близки по величине к массам сигма- и кси-гиперонов. Тем более что, как вы помните, при создании унитарной классификации все эти нуклоны и гипероны очень естественно вписались в одну из «восьмерок», то есть должны были представлять собой просто 8 различных состояний какой-то одной частицы.
И вообще, согласно схеме унитарной классификации ни один из наблюдаемых мезонов или барионов ничем особым не выделен, ни один из них не может претендовать на роль более элементарной частицы, чем остальные адроны.
Вот именно это последнее обстоятельство и оказалось непреодолимой трудностью для модели фундаментального сакатона.
Сакатон вынужден был уйти из мира реальных частиц и поселиться в красивом замке унитарной симметрии на правах призрака, изменив имя и даже некоторые свойства.
В 1964 году М. Гелл-Манн и молодой теоретик из ЦЕРНа Дж. Цвейг обратили внимание на то, что существует отличная возможность описать все наблюдаемые адроны как определенные составные конструкции из некоторых новых частиц, которые тоже укладываются в схему унитарной классификации, но обладают весьма оригинальными свойствами, резко выделяющими их среди собратьев по микромиру. Речь шла как раз о тех объектах, которые должны были входить в унитарные наборы из трех частиц.
С легкой руки М. Гелл-Манна новые гипотетические частицы стали называться кварками. Необычное слово вызвало, конечно, удивление, но прижилось в физике чрезвычайно быстро. М. Гелл-Манн отыскал его в фантастическом романе «Поминки по Финнегану» — последнем произведении крупнейшего ирландского писателя Дж. Джойса. В этом романе некий таинственный голос вещает о «трех кварках», что звучит в контексте непонятно, но угрожающе. С другой стороны, в немецком языке слово «кварк» имеет совершенно безобидный смысл — «творог». Вот и пойми, что предрекается: то ли злые духи, то ли вкусные творожники…
Мне кажется, что кварк завоевал симпатии физиков по довольно простой причине, благодаря явному созвучию с привычным словом квант — чувствуется, что кварк должен быть осколком чего-то, и не просто частью, а чем-то с трудом отщепленным, скорее всего остроугольным…
Кварк вошел в физику полноправным наследником сакатона. В отличие от последнего он не должен был соответствовать каким-либо уже известным адронам. Однако подобно тому, как сакатон был единым представлением трех частиц — протона, нейтрона и лямбда-гиперона, кварк по праву наследования стал представлять три частицы, которые так и были названы по аналогии — пэ-кварк (p), эн-кварк, (n) и лямбда-кварк (λ).
Необычные свойства кварков выражались прежде всего в том, что их барионные и электрические заряды имели дробные значения в единицах зарядов протона или любой другой известной элементарной частицы. В частности, все барионные заряды кварков должны были составлять 1/3 заряда известных барионов. Пэ-кварк должен был, кроме того, иметь положительный электрический заряд, равный 2/3 заряда протона, а остальные два — эн- и лямбда-кварки — должны были иметь отрицательные заряды по (1/3). И наконец, лямбда-кварк еще обладал «странностью», равной минус единице (–1). При внимательном взгляде на кварки нетрудно заметить, что они действительно напоминают компоненты сакатона — протон, нейтрон и лямбда-гиперон — с той разницей, что барионные заряды кварков меньше на 2/3, а электрические на 1/3, чем у этих барионов.
Предсказание дробных зарядов у кварков показалось физикам весьма необычным, но оно, в сущности, не нарушало никаких фундаментальных законов природы. То, что, например, электрические заряды всех наблюдаемых частиц либо равны по абсолютной величине заряду электрона, либо больше его в целое число раз, — просто экспериментальный факт, смысл которого пока непонятен. И если обнаружились бы более мелкие порции электричества, то это стало бы просто нарушением традиции, а не каких-то определенных законов.
Гораздо более удивительным оказалось другое обстоятельство. Кварковая модель стала превосходным средством для наведения порядка в микромире и испытала большой успех в самых различных приложениях, но вот сами кварки, несмотря на чрезвычайно активные поиски, так и не удалось обнаружить.
Посудите сами. Любой известный барион без труда строится в виде комбинации из трех кварков. Скажем, протон должен состоять из двух пэ-кварков и одного эн-кварка, а отрицательно заряженный кси-минус-гиперон из эн-кварка и двух лямбда-кварков. Пользуясь все той же простой зарядовой арифметикой, можно составить и любой мезон — он непременно должен содержать какой-либо кварк и антикварк, чтобы суммарный барионный заряд этой комбинации был равен нулю. Например, положительно заряженный пи-мезон состоит из пэ-кварка и эн-антикварка, а отрицательно заряженный ка-мезон — из лямбда-кварка и пэ-антикварка. В общем, положив перед собой таблицу известных адронов и вспомнив заряды различных кварков, вы могли бы очень быстро установить кварковый состав всех частиц и античастиц.
Но успехи кварковой модели не ограничивались такой удачной классификацией адронов. Модель давала и вполне определенные предсказания о закономерностях, которые должны наблюдаться в процессах сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий при рассеянии и распадах адронов. Большинство таких предсказаний удивительно хорошо подтверждается экспериментальными данными.
Не менее важно и другое — именно кварки позволяли верить в глубокий смысл обнаруженных законов симметрии микромира. Можно сказать, что гипотетические частицы наполнили жизнью красивый замок унитарных симметрий; без кварков он казался бы пустынной, наскоро сколоченной времянкой. Но кварки до сих пор так и остались призраками! Они приносят большую пользу, о них много сказано и написано, наконец, большинство физиков верят в их существование. Но их никто и никогда так и не наблюдал. Между тем история ловли кварков ничуть не уступает, даже, пожалуй, превосходит по драматизму охоту за космическими лучами.
Кварки искали не только на земле, под землей или под водой. Чтобы обнаружить какой-нибудь «зазевавшийся» призрак, перетирались в порошок целые метеориты. Их пытались зарегистрировать в самых первых образцах лунного грунта, с великими трудами и затратами доставленных на нашу планету.
Дело в том, что по крайней мере один из кварков должен был оказаться стабильным, и в силу закона сохранения электрического заряда его дробный заряд можно было бы обнаружить даже после всевозможных взаимодействий этого кварка с обычными частицами вещества. Именно поэтому физики уделяли большое внимание поиску кварков с дробными зарядами и в макроскопических кусках вещества.
Более того, физики обратились к анализу истории наблюдаемой вселенной и к исследованию строения звезд. Уже в 1965 году — всего через год после появления гипотезы кварков — советские теоретики Я. Зельдович, Л. Окунь и С. Пикельнер опубликовали большую статью под названием «Кварки: астрофизический и физико-химический аспекты». В этой работе были даны оценки допустимой плотности реальных кварков в связи с самыми различными возможностями их существования. Вывод был не слишком утешителен; кварков должно быть в 109–1018 раз меньше, чем нуклонов. Последующие теоретические и экспериментальные работы в основном подтвердили это заключение. Кварки, даже если они и существуют в виде отдельных частиц, — редчайшие «звери». Число нуклонов должно, по крайней мере, в тысячи миллиардов раз превышать число кварков…
И уж конечно, трудно перечислить все эксперименты по поиску кварков в потоках космических лучей и среди миллионов событий, полученных на крупнейших ускорителях мира. В программах «Серпухова» и «Батавии» кварковый эксперимент стоял на первом месте — еще только «прогревая» синхротроны для долгосрочной работы, физики пытались отыскать в регистрирующих устройствах следы дробно-заряженных частиц. Упорное нежелание кварков предстать пред нетерпеливыми взорами экспериментаторов стало вызывать тревожные размышления.