В 1958 году группа краковских физиков под руководством М. Менсовича исследовала события, вызванные частицами космических лучей в стопках фотоэмульсионных пластинок, побывавших в стратосфере. При энергии налетающей частицы порядка 1 ТэВ (тысяча миллиардов электрон-вольт) были обнаружены любопытные процессы образования двух группировок вторичных мезонов, вылетающих в противоположных друг другу направлениях. После всех необходимых расчетов получалась такая картина, словно эти мезоны происходят от распада каких-то сгустков адронной материи, причем характеристики распада были очень похожи на те, которые встречались в уже упомянутой модели равновесного излучения фотонов раскаленными телами. Отсюда и появилась идея, что в экспериментах обнаружены сверхгорячие объекты с температурой порядка триллиона (1012) градусов, которые распадаются за очень малое время на 10–12 мезонов.
У М. Менсовича и его сотрудников этот объект, по-видимому, ассоциировался с образом известной шаровой молнии — компактным, но крайне неустойчивым комком высокотемпературной плазмы, который иногда образуется во время грозы и наводит ужас на очевидцев своими причудливыми передвижениями. Этот сгусток так и был назван файрбол (огненный шар).
Впоследствии такого типа события регистрировались «космиками» неоднократно, и наиболее выдающиеся файрболы даже получали свои имена. Не так давно, в 1971 году, был сфотографирован гигантский ливень, названный «Андромеда» — основное почернение фотопластинки напоминало контурами изображение туманности Андромеды и имело средний диаметр свыше 3 сантиметров. Согласно расчетам ливень был вызван попаданием в атмосферу частицы с энергией не менее 1016 электрон-вольт.
Однако подобные единичные явления не позволяли с уверенностью говорить о существовании нового класса адронных объектов. Во-первых, всегда оставалась надежда, что при более тщательном анализе большого набора данных на ускорителях «файрбольный эффект» объяснится уже известными частицами и взаимодействиями между ними. Во-вторых, приняв гипотезу о файрболах, физики сталкивались с из ряда вон выходящими свойствами, которые даже при богатом воображении трудно было приписать какому бы то ни было частицеподобному образованию.
Такая точка зрения усилилась еще и в связи с наступлением «резонансного потопа». Резонансы, представляющие собой короткоживущие ассоциации сцепившихся вместе двух или трех адронов, позволили объяснить некоторые тонкие детали «множественного рождения», в частности, появление довольно сильных взаимосвязей между некоторыми парами и тройками образующихся мезонов. Однако, как вы помните, они были достаточно похожи на обычные адроны: обладали определенными, не зависящими от способа рождения массами и другими параметрами. У файрболов, которые должны были формироваться из гораздо большего числа мезонов (до 10), подобной устойчивости параметров не наблюдалось — получалось так, что их массы более или менее равномерно разбросаны по огромному интервалу от 1,5 до 3,5–4 ГэВ. Величина же массы существенно зависит от того, каким способом образовался файрбол.
На сегодняшний день ситуация с существованием файрболов по-прежнему не ясна. Однако есть очень веские доводы в пользу того, что именно они или объекты с очень близкими свойствами обеспечивают сильную взаимосвязь актов рождения адронов.
В общем «множественное рождение» адронов представляет собой очень сложный тип процессов. Он сложен и для экспериментального исследования, и для теоретической интерпретации.
Очень интересно обсудить этот процесс в связи с теми представлениями о структуре адронов, которые мы рассматривали в предыдущих разделах. В самом деле, наличие у реальных адронов весьма сложной структуры — одна из наиболее трудных проблем как раз для теории их образования.
Интуитивно ясно, что рождение составного объекта с развитой пространственной структурой не происходит мгновенно, как какой-то элементарный акт. Требуется определенное время, чтобы такой объект сформировался, испытал необходимую эволюцию.
Элементарный мгновенный акт рождения или гибели частицы — представление, заимствованное из атомной физики, где излучение атома рассматривается как мгновенное испускание фотона электроном. Возможно, что такая картина хороша лишь постольку, поскольку мы считаем фотон элементарной частицей.
Адрон — частица явно не элементарная, и его образование следует считать опять-таки неэлементарным актом с определенной длительностью во времени.
На первом этапе обязательно должен образоваться особый «кварковый атом», скажем, пара из кварка и антикварка — своеобразный зародыш мезона, отражающий его зарядовые характеристики. Появление «кваркового атома» может проходить очень быстро, практически мгновенно, поскольку кварки представляют собой истинно элементарные бесструктурные частицы.
Однако последующие этапы превращения зародыша в реальный адрон должны иметь некоторую длительность. «Кварковый атом» постепенно приобретает свое «кварковое море», внешнюю оболочку из виртуальных адронов, то есть «одевается» и принимает те размеры и формы, которые свойственны реальному адрону. Только после этого новая частица становится реальным адроном и покидает область взаимодействия. Вся операция по формированию адрона занимает не менее 10-23–10-24 секунды — за это время адрон и достигает нормальных размеров порядка 10-13 сантиметра.
Таким образом, простая схема внутреннего устройства адрона, которую мы обсуждали ранее, одновременно отражает те стадии развития, которые должен пройти адрон в процессе рождения, является как бы экономичной формой записи программы эволюции адрона — от элементарного «кваркового атома» до реальной структурной частицы.
Все это может показаться слишком «страшным». Казалось бы, нарисована довольно ясная картина строения адрона — валентные кварки плюс две оболочки, — к чему же теперь все усложнять, называть эту структуру «записью программы эволюции»?
Что поделаешь! Усложнение здесь необходимо, и, конечно, не ради самого усложнения.
Дело в том, что картина строения адрона имеет объективный смысл тогда и только тогда, когда она верна в любой ситуации. Иначе мы вынуждены были бы рисовать множество картинок с подписями типа: «Таким видится адрон такой-то частице при таких-то условиях, а таким при таких-то».
Как вы уже успели убедиться, описание структуры частицы обязательно связано с ее поведением в определенных реакциях. Физик не может говорить о внутреннем устройстве микрообъекта, не подвергая этот микрообъект разнообразным и довольно сильным воздействиям со стороны других микрообъектов. Непосредственно в эксперименте мы наблюдаем поведение частиц только в различных реакциях с другими частицами.
На основе замеченных, подчас весьма необычных закономерностей этого поведения мы должны проделать особую реконструкцию, создать единый образ частицы, который согласуется со всеми данными наблюдений. При этом мы лишены приятной возможности отбросить все абстракции и сложные построения в сторону и просто взять и посмотреть, как же выглядят эти частицы «на самом деле». Потому что на самом деле они выглядят именно так, как… ведут себя в различных реакциях.
Возможная картина поэтапного формирования адронов в области взаимодействия в процессах аннигиляционного типа (разделение на стадии сугубо условное).
На самой ранней стадии образуется партонная «каша» — неравновесное вещество, состоящее из «голых» адронов. Расширение этого сгустка сопровождается формированием пространственных неоднородностей — относительно небольших сгустков виртуальных частиц — своеобразных зародышей реальных адронов. На последней стадии формирование завершается, «зародыши» успевают разойтись на довольно большие расстояния и, разделив между собой «шубу», перестают взаимодействовать. Далее регистрируются свободные адроны, причем с большими взаимными корреляциями — памятью о происхождении из общего партонного сгустка.
В этом смысле физик, изучающий микромир, находится примерно в том же положении, что и палеозоолог, пытающийся по тысячам косвенных данных восстановить внешний вид и повадки какого-нибудь ископаемого ящера. Но специалисту по древнейшей фауне легче хотя бы потому, что он имеет возможность наблюдать собственными глазами других животных, пока не перешедших в разряд ископаемых…