КАЖЕТСЯ, НАЙДЕНЫ ДЕТАЛИ КВАРКА

В апреле позапрошлого года группа экс­периментаторов из Национальной Ускори­тельной лаборатории имени Ферми (США) официально сообщила об откры­тии шестого, так называемою топ-кварка. Последний кварк был обнаружен в серии эксперимен­тов, проделанных на протон-антипротонном коллайдере (ускорителе на встречных пучках}«Тэватрон». Кварки, согласно современной физи­ческой теории, — не просто еще одна груп­па элементарных частиц. Это «истинные» эле­ментарные частицы, не имеющие структуры, первооснова материи.

Однако уже спустя год появились предпо­ложения, что данные этого эксперимента (называемого для краткости CDF) можно ин­терпретировать и по-другому. В них, возможно, содержится намек на новый тип поведе­ния частиц, на существование еще более глу­бокого состава микроструктуры Вселенной.

В экспериментах на Тэватроне изучались осколки ядер, образующиеся при столкно­вениях протонов и антипротонов с энерги­ей до 900 ГэВ (гигаэлектрон-вольт — 10⁹ эВ} — наиболее высокой из достигнутых в на­стоящее время. Ключом к разгадке таин­ственного кварк-глюонного механизма взаимодействия сталкивающихся протонов и их античастиц стали так называемые «струи»  - потоки ядерных осколков, вылетающих при лобовых столкновениях кварков и глюонов. Изучив скорости «струйных» продуктов ре­акции и сравнив результаты с предсказани­ями теории, исследователи обнаружили ска­чок энергии в струях, летящих перпендику­лярно направлению сталкивающихся пучков частиц и античастиц (см. Рис. 1). Эти данные были по­лучены на Тэватроне в 1992 - 1993 годах при обработке свыше тысячи событий, а деталь­ное исследование результатов длится и поныне.

При очень интенсивном взаимодействии соударяющиеся частицы как бы глубоко проникают друг в друга. Обнаруженный скачок энергии в поперечных струях может быть признаком участия в реакции чего-то мень­шего, чем даже кварки и глюоны. Согласно общепринятой сегодня «Стандартной моде­ли», Вселенная вокруг нас построена на ос­нове только шести типов кварков и шести типов лептонов (к которым относятся элек­троны, мюоны и нейтрино), а все остальное представляет собой их комбинации. Экспериментально установлено, что эти осново­полагающие частицы имеют размеры мень­ше, чем 10^-17 сантиметров, или в десять ты­сяч раз меньше, чем, скажем, протон. Так вот, если кварки и лептопы не окажутся пре­дельно малыми «кирпичиками» Природы, основы Стандартной модели потерпят крах, её предсказания не будут больше работать и по­требуется новая теория.

Эксперименты, проделанные на коллайдере фермиевской ла­боратории (США), показали ин­тересные результаты. При встречном столкновении пуч­ков протонов и антипротонов часть осколков — продуктов реакции — вылетала в перпен­дикулярном направлении. В об­ласти сравнительно низких энергий (до 200 ГэВ) наблюда­лось хорошее согласие как с те­орией, так и с результатами других экспериментов. Но с ро­стом энергии осколков обнару­жилось все возрастающее рас­хождение (крупные точки на графике; вертикальные линии отмечают величину экспери­ментальной ошибки). Энергия осколков оказалась значитель­но выше ожидаемой, Причиной этого, по мнению исследовате­лей, может быть сложное строение кварков, которые «Стандартная модель» строе­ния вещества считает струк­туры не имеющими.

Однако такой вывод считать окончатель­ным еще рано. Теоретические предсказания чрезвычайно трудны для условий экспери­ментов на Тэватроне. Они могут не только похоронить стандартную модель, но и примирить её со «струйным скачком», если, конечно, не будет нарушено согласие и с дру­гими экспериментами. Одним из таких предсказаний может быть предположение, что кварки и глюоны ведут себя как некие составные частицы, имеющие внутреннюю структуру. Но эти же результаты можно истолковать и по-другому. Не исключено, что экспериментаторы впервые наблюдали проявление какой-то другой формы взаимодействия, которая возникает только в специаль­ных условиях и дополняет обычную кварк - глюонную физику.

Шерлок Холмс всегда был склонен считать: если две собаки ночью лают одновременно, это взаимосвязано. В прошлом году экспе­рименты на главном электрон-позитронном коллайдере ЦЕРНа (Женева) и на линейном ускорителе электронов в Стэнфорде (США) выявили аномалии в выходе частиц, содер­жащих тяжелые кварки. Эти факты тоже были восприняты как свидетельство возмож­ной недоработки стандартной модели.

Сопоставляя этот «лай» из Женевы и из Стэнфорда, две группы европейских теоре­тиков предположили существование некой дополнительной Z-частицы, переносящей еще одно взаимодействие. Она могла бы допол­нить стандартную модель в качестве элект­рически нейтральной компоненты слабых ядерных сил. Предполагается, что Z-частица имеет массу около 800 ГэВ и предпочитает связывать кварки, а не лептоны. Авторы это­го предположения считают, что именно та­кие тяжелые «адронпые» и «лептонпые» Z-частицы могут объяснить все аномалии как протон-антипротонных, так и электрон -      позитронных взаимодействий.

Известный теоретик, главный научный сотрудник Института физики высоких энер­гий профессор Борис Андреевич Арбузов, комментируя сообщение американских кол­лег, сказал:

«Результаты фермиевской группы действи­тельно вызывают очень большой интерес. Вместе с тем нужно отметить, что другая группа исследователей, работавшая на том же Тэватроне в рамках другого эксперимен­та, их не подтвердила. Кроме того, возмож­ны дальнейшие уточнения теоретического объяснения механизма рождения струй и в рамках Стандартной модели. То есть эффект, о котором идет речь, требует дальнейшего изучения. Если он подтвердится, это будет означать, что при масштабе энергий в не­сколько тераэлектронвольт (ТэВ, тысяч ГэВ — 10¹² эВ) происходят новые физические яв­ления. Они действительно могут быть связа­ны либо с тем, что кварки имеют сложное строение, либо с существованием дополни­тельного промежуточного Z-бозона. Впрочем, круг пока неизвестных физических эффек­тов, способных объяснить избыток попереч­ных струй высокой энергии, значительно шире. Нужны новые исследования».

К этому можно добавить только слова со­жаления о том, что выйти на требуемый уро­вень энергий в несколько тераэлектронвольт отечественным физикам удастся не скоро. Проводимая в России экономическая рефор­ма оказалась особенно суровой по отноше­нию к фундаментальной науке вообще и к затянувшемуся строительству нового уско­рительно -накопительного комплекса (УНК) Института физики высоких энергий в Про­твино — в частности.

 Опубликовано: "Наука и жизнь", №8, 1996 г.