Ясно, что такие замечательные свойства калибровочных полей немедленно привлекли внимание теоретиков, пытавшихся объяснить природу межкварковых сил. Кванты калибровочных полей — их и назвали глюонами — должны были сыграть роль удивительного клея, который позволяет кваркам чувствовать себя совершенно свободно внутри адрона, но не отпускает их далеко друг от друга. Теория взаимодействия всех цветных кварков и глюонов получила название квантовая хромодинамика (по-русски — цветодинамика). Она созвучна квантовой электродинамике, пожалуй, только по названию, поскольку свойства глюонов намного сложней, чем свойства фотонов.
Так сформулировалась современная картина строения адронов.
Не стоит, конечно, полагать, что она ясна целиком и полностью. Природа глюонов и, следовательно, сил, действующих между кварками, еще во многом непонятна, и потребуется еще огромная работа теоретиков и экспериментаторов, чтобы детально выяснить все закономерности.
Хотелось бы верить, что в принципе принятая здесь схема строения адрона выглядит правильно. Но не исключено и другое, что между этой схемой и теорией адронов лежит область новой физики, подобно тому, как между моделью атома Резерфорда — Бора и современной теорией атома пролегла квантовая теория со всеми ее необычными представлениями…
Что же делать с эталонами, которые оказываются вовсе не эталонами? Как быть с аналогиями, которые подчас толкают нас по неверному пути?
Ответ может быть только один — надо работать, всегда искать новые возможности. Нравится нам это или нет, только новое не рождается из благих пожеланий и из простого созерцания. Оно создается нашими руками и по нашим проектам.
Важно представлять себе и то, что материалом для создания нового всегда является старое.
Можно тысячекратно объявлять эталоны реакционными пережитками, но это хорошо лишь постольку, поскольку служит стимулом для создания новых эталонов. А создать новый эталон — дело очень сложное.
На начальном этапе всегда приходится заимствовать готовую аналогию и приспосабливать ее к новой области явлений. Скажем, модель электромагнитных взаимодействий приспосабливалась к описанию сильных процессов. В ней делались изменения, и она сама преобразовывалась. Оказалось, что в чем-то она применима, а в чем-то нет. И начинается мучительный процесс перестройки, привлечения других аналогий. Например, в физике адронов пришлось использовать несколько первоначально далеких друг от друга аналогий из других областей — вспомните хотя бы три картины строения адрона.
Одновременно физики учатся — да, да, именно учатся. Они создают новые математические методы анализа микромира, готовят новые экспериментальные средства.
И все эти факторы взаимодействуют между собой. Новые уравнения открывают новые возможности в объяснении наблюдаемых закономерностей. Новые эксперименты привлекают внимание к таким проблемам, на которые раньше не обращали внимания.
Постепенно совокупность старых аналогий, пересаженная на почву новых фактов, настолько преобразовывается, что наступает момент появления новой теории. В сущности, не момент, а какой-то промежуток времени, до которого наблюдалось как бы хаотичное движение противоречивых идей, а после него упорядоченное представление еще об одной области знания…
Рискуя показаться отчаянным оптимистом, скажу, что в физике адронов мы уже вступили в такой промежуток. Но как близок твердый берег хорошей теории?
На этот вопрос ответить пока невозможно — все-таки мы плывем по незнакомому океану…
У человека, приступающего к изучению теории любых взаимодействий, всегда создается впечатление, что упругое рассеяние частиц — простейший из простых процессов. Ведь в упругом рассеянии никакие внутренние свойства частиц не изменяются, в результате реакции получаются такие же частицы, какие были до нее.
В самом деле, гораздо проще исследовать, скажем, соударение двух обычных бильярдных шаров, которые все время остаются теми же бильярдными шарами. Лишь в момент соприкосновения они слегка деформируются, чтобы немедленно восстановить свою форму. Вообразим теперь такое положение, когда в результате удара один или оба шара способны рассыпаться на несколько таких же бильярдных шаров, причем этот развал происходит довольно часто, в большом числе случаев.
Физик сказал бы по поводу таких столкновений, что процесс размножения шаров происходит с большой вероятностью, и стал бы немедленно ставить точные опыты, чтобы выяснить, с какой именно вероятностью рождается один дополнительный шар, два дополнительных шара и т. д…
Предположим теперь, что физик узнал все необходимое и натолкнулся на такую любопытную ситуацию. Шары могут охотно рождаться, но все-таки некоторый небольшой процент событий — это чисто упругое рассеяние. И вот вероятность простейшего процесса — упругого рассеяния — оказывается каким-то образом связанной с тем, как ведут себя неупругие реакции, то есть те, в которых рождаются новые шары.
Продолжая свои опыты и осмысливая их теоретически, физик, наконец, находит закон действия сил между шарами. Иными словами, он определяет форму потенциальной энергии взаимодействия и теперь уже может теоретически рассчитать поведение шаров в результате упругого соударения. И при этом первоначальные подозрения о какой-то связи между упругими и неупругими реакциями превращаются во вполне конкретный факт. Оказывается, что потенциальная энергия взаимодействия между двумя шарами почти полностью определяется процессами «множественного рождения» шаров.
Создается довольно странная, с точки зрения привычной физики, ситуация — свойства самой простой реакции сильно зависят от свойств гораздо более сложных реакций, где могут участвовать многие объекты. Очевидно, все дело в необычности воображаемых шаров, столкновение которых мы обсуждаем. Эти шары охотно разваливаются при соударении и наверняка представляют собой сложные объекты. В момент, когда они сталкиваются и снова разлетаются, то есть взаимодействуют только упруго, они все равно чувствуют сложную структуру друг друга. И в конце концов не столь уж и удивительно, что силы, которые проявляются в таком упругом соударении, сильно зависят от внутреннего устройства этих шаров, от того, каким образом они могут разваливаться на отдельные части…
Вся притча о шарах служит нам, конечно, лишь целям наглядности. Обычные бильярдные шары ведут себя обычным образом, так, как и положено механическим объектам. А описанные здесь воображаемые опыты просто воспроизводят свойства сильновзаимодействующих частиц — адронов.
Сильные взаимодействия, в сущности, потому и называют сильными, что участвующие в них частицы способны интенсивно рождаться. И чем выше энергия сталкивающихся адронов, тем больше в среднем рождается новых адронов. Например, при самых высоких энергиях столкновение протонов, достигнутых в ЦЕРНе (2000 ГэВ), рождается в среднем более десяти только заряженных частиц.
Адроны способны упруго рассеиваться друг на друге. Например, протоны примерно в 20 процентах всех событий при высоких энергиях испытывают именно упругое соударение. Но остальные 80 процентов относятся совсем к иному типу процессов — процессам «множественного рождения». Это и означает, что вероятность образования некоторого числа новых адронов очень велика, и поэтому физики часто говорят, что «множественное рождение» представляет собой главное явление, основной тип реакций с участием адронов.
В 1963 году советские теоретики А. Логунов и А. Тавхелидзе показали, что упругое рассеяние адронов можно описать уравнением, которое представляет собой прямое обобщение уравнения Шредингера на случай движения очень быстрых частиц. Оказалось, что потенциальная энергия взаимодействия адронов действительно определяется в основном множественными процессами.
Большая интенсивность «множественного рождения» служит практически сильнейшим доказательством сложного внутреннего строения адронов.
В свое время Ч. Янг предложил такую наглядную картину. Упругие реакции между адронами возможны главным образом в том случае, когда сталкивающиеся адроны испытывают сравнительно слабый взаимный, удар, то есть передают друг другу малый импульс и незначительно меняют направление движения, говорил он. События, в которых происходит передача большого импульса, крайне редки, и дело здесь в том, что адронам просто трудно передать друг другу большой импульс, сохранив свою целостность. Скорее всего, они должны просто разваливаться на отдельные части — фрагменты, которые представляют собой не что иное, как обычные адроны. Адрон, не развалившийся при сильном ударе, редкое явление!
Действительно, например, каждый из сталкивающихся протонов как бы насыщен мезонами, резонансами, парами барион — антибарион, которые охотно появятся в виде реальных частиц, если при соударении исходных протонов выделится достаточно большая энергия.
В 1969 году Ч. Янг со своими сотрудниками построили модель «множественного рождения» адронов, основанную на представлениях о фрагментации сталкивающихся адронов. В результате соударения, скажем, протона-снаряда и протона-мишени каждый из них как бы рассыпается на части фрагменты, главным образом мезоны. Именно такой механизм образования частиц авторы считали главным. В сущности, он очень похож на способ множественного рождения шаров, который мы рассматривали в примере с необычными бильярдными шарами.
Через некоторое время Р. Фейнман внес важные изменения в эту картину. Фрагментация протона-снаряда и протона-мишени, конечно, существует, отметил он, но адроны, которые возникают как фрагменты сталкивающихся протонов, не являются определяющими. Главный механизм «множественного рождения» заключается в образовании большого числа сравнительно медленных частиц, в основном пи-мезонов, которые отнюдь нельзя считать фрагментами сталкивающихся протонов.
Явление, связанное с образованием таких сравнительно медленных частиц, получило название пионизации. Если попытаться пояснить его на основе простой картины сталкивающихся и размножающихся шаров, то придется привлекать весьма необычные представления.
Оказывается, что в результате соударения воображаемые бильярдные шары могут не только разваливаться на фрагменты, но и как бы сбрасывать с себя часть массы. Такие порции от каждого из шаров на небольшое время слипаются и образуют особый объект, который уже нельзя считать частью одного из шаров. Через некоторое время этот своеобразный объект распадается на новые шары.
Так что чем дальше, тем больше необычных свойств приходится приписывать этим бильярдным шарам. Это лишь подчеркивает, насколько далеки привычные механические объекты от того, что наблюдаются в микромире!
Существование фрагментации и пионизации было доказано экспериментально, однако наблюдаемая картина «множественного рождения адронов» оказалась значительно сложнее, чем предполагалось в фейнмановской модели.
Например, исследователи установили, что образующиеся адроны обладают сильной взаимосвязью, иными словами, акты рождения каждой частицы ни в коем случае не являются независимыми друг от друга. Вероятность появления каждого нового адрона зависит от числа уже образовавшихся адронов, причем, чем больше их появилось, тем охотней рождаются новые.
Это свойство нельзя понять, не привлекая представлений о каких-то единых образованиях из очень большого числа адронов, которые могут появляться хотя бы на очень малое время в результате соударения.
Идеи о возможном появлении таких единых образований — своеобразных сгустков адронной материи — возникли довольно давно и были связаны с особой точкой зрения на природу «множественного рождения».
Впервые эта точка зрения была сформулирована Э. Ферми еще в 1950 году. В результате соударения протонов возникает чрезвычайно раскаленный сгусток вещества, считал он. Этот сгусток образуется очень быстро и очень быстро разогревается до огромных температур, поскольку вся энергия столкнувшихся протонов выделяется в микроскопически малом объеме пространства. Сразу же после образования сгусток начинает интенсивно распадаться на адроны, излучать их, подобно тому, как раскаленное тело излучает свет, то есть поток фотонов, и излучает до тех пор, пока не высветит всю свою энергию.
Советский физик И. Померанчук заметил в модели Э. Ферми один весьма странный момент: сгусток начинал распадаться на реальные адроны сразу же после соударения. При этом вещество сгустка было сжато до чрезвычайно высоких плотностей, и трудно было предположить, что в такой ситуации появится хоть один реальный адрон. Гораздо естественнее считать, что сгусток сначала должен расшириться и охладиться, а уже после этого он распадется на реальные адроны.
Модель И. Померанчука, которую впоследствии развил другой советский теоретик, Е. Фейнберг, не сразу нашла себе применение. Трудно было согласовать ее с данными наблюдений в предположении, что весь процесс в целом выглядит так, как предписывает эта модель. Однако образуются ли раскаленные сгустки адронного вещества, к описанию распада которых ее и следовало применять?
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