На протяжении многих лет физики мечтали о такой «единой» теории, которая смогла бы объединить все су­ществующие представления об элементарных частицах вещества. В последние годы подобная теория или, точ­нее сказать, гипотеза, наконец, появилась. Это гипотеза об особых фундаментальных частицах с дробными элек­трическими зарядами — «кварках», из которых построены все основные частицы, в том числе протоны, нейтроны и античастицы, а также мезоны, т. е. частицы с массами, превосходящими массу электрона, по меньшими массы протона. Наряду с этим появилась аналогичная гипо­теза о других фундаментальных частицах — «трионах». От кварков трионы отличаются тем, что первые обла­дают дробными электрическими зарядами, в то время как вторые имеют заряд, величина которого выражается в целых числах.

Хотя гипотеза кварков представляет собой чисто ло­гическое построение, она не только хорошо объясняет все известные современной науке факты, но и позволяет предсказывать новые явления, а это уже немаловажное свидетельство в пользу ее справедливости. Во всяком случае, все происходит именно так, как если бы кварки действительно существовали.

За последнее время был предпринят ряд попыток об­наружить кварки с помощью ускорителей элементарных частиц. Однако даже самые тщательные исследования продуктов столкновения нуклонов, разогнанных до весь­ма высоких энергий, не привели к желаемым результа­там. Возможно, это объясняется тем, что кварки тя­желы. Не исключено, что их масса в несколько раз пре­вышает массу протона — ядра атома водорода. А если это действительно так, то для того, чтобы «разбить» ка­кую-либо элементарную частицу на кварки, необходимы фантастические энергии, намного превосходящие воз­можности современных ускорителей.

Как же все-таки найти кварки? Где их искать?

Один из возможных путей состоит в том, чтобы попы­таться обнаружить существование кварков в природе по их косвенным проявлениям. В принципе такая возмож­ность имеется, так как из-за необычно большой для эле­ментарных частиц массы кварков (по некоторым данным от 5 до 10 протонных масс) их превращения должны быть связаны с преобразованиями колоссальных количеств энергии. Так, например, согласно теории один протон, т.е. одно ядро атома водорода, состоит из трех кварков. Но так как масса кварков в 30 раз больше массы одного протона,   то   при  образовании   протона   из  кварков «лишние» 29 единиц массы должны перейти в излучение с выделением энергии. Таким образом, получается чудо­вищный «дефект массы» — 97%!, что приблизительно в 140 раз превосходит дефект массы при термоядерных реакциях. Это уже приближается к полному превраще­нию вещества в излучение, которое должно происходить при аннигиляции вещества и антивещества.

В связи с этим невольно напрашивается сопоставле­ние между энергетическим выходом превращений мате­рии с участием кварков и обнаруженными за последнее время во Вселенной мощными энергетическими процес­сами, связанными со сверхзвездами и ядрами галактик. Эти процессы носят взрывной характер и сопровож­даются выделением столь грандиозных количеств энер­гии, что их не удается объяснить известными нам физи­ческими явлениями.

Согласно современным теоретическим представле­ниям сжатие звезды после прекращения в се недрах термоядерных реакций должно приводить к вдавлива­нию электронов в протоны, развалу атомных ядер и об­разованию так называемой нейтронной звезды. Дальней­шее сжатие приводит к образованию еще более плотных частиц—гиперонов, которые при определенных условиях могут находиться в устойчивом состоянии. При после­дующем сжатии в недрах подобной, как ее называют, барионной звезды могут возникать еще более тяжелые частицы.

По мнению советского физика Д. Д. Иваненко, не исключена возможность, что одним из звеньев в це­пи таких превращений может являться образованно кварков или других подобных им фундаментальных частиц.

Расчеты показывают, что для того, чтобы барионы могли распасться на кварки, необходима чрезвычайно высокая плотность. По именно такая плотность, согласно современным представлениям, реализуется, в частности, в недрах барионных звезд.

Процесс перехода барионов в кварки идет с погло­щением кинетической энергии, вследствие чего звезда продолжает сжиматься и становиться еще более плот­ной. Однако сосуществование барионов и кварков в нед­рах звезды, вообще говоря, не будет устойчивым. Если благодаря   самопроизвольным   колебаниям   плотности  (флуктуациям), которые всегда могут иметь место в нед­рах звезды, в какой-либо области плотность барионов окажется меньше той, при которой барионы могут пере­ходить в кварки, процесс пойдет в обратном направле­нии. Другими словами, начнется переход кварков а барионы с выделением огромных количеств энергии, что может привести к взрыву.

Как считает Иваненко, в частности, не исключена возможность, что незвездная материя может представ­лять собой как раз не что иное, как своеобразные кварковые состояния. Возможно, таким же было и перво­начальное состояние материи в нашей области Вселен­ной, материн, взрыв и расширение которой привели к образованию Метагалактики.

Однако для того, чтобы окончательно убедиться в том, что кварки не просто удачный математический прием, а реально существующие частицы, их надо обна­ружить, зарегистрировать точными физическими при­борами.

Это обстоятельство заставило физиков обратить вни­мание на космические лучи. Как известно, в космиче­ских лучах встречаются частицы весьма высоких энергий, для которых большая масса кварков не должна слу­жить препятствием. В связи с этим появилась идея по­пытаться зарегистрировать кварки, которые должны воз­никать в результате столкновения высокоэнергичных частиц космических лучей с ядрами атомов в земной атмосфере или в специально изготовленных фильтрах.

В силу целого ряда обстоятельств подобные поиски связаны с преодолением весьма значительных трудно­стей. Тем не менее, как показали советские ученые, кос­мические лучи являются той природной лабораторией, в которой кварки все же могут быть обнаружены.

Как мы уже говорили, современная астрофизика при­шла к выводу, что в отдаленном прошлом наша область Вселенной находилась в состоянии высокой температуры и высокой плотности. В то время в ней присутствовало большое число пар сколь угодно тяжелых частиц I! анти­частиц. По мере расширения и «остывания» этой си­стемы, из которой впоследствии образовалась наша Ме­тагалактика, концентрация таких частиц постепенно понижалась и вследствие быстроты расширения насту­пил  момент, когда она сделалась настолько низкой, что частицы пар практически уже не могли аннигилировать друг с другом. Поэтому в дальнейшем число подобных пар должно было оставаться уже неизменным.

Обнаружение реликтовых радиоволн, возникших па первых стадиях расширения Метагалактики и равно­мерно заполняющих пространство, закономерно приво­дит к мысли о том, что оно может быть заполнено и другими реликтовыми образованиями, в частности, квар­ками и антикварками.

Какова же возможная концентрация подобных ча­стиц в настоящее время? Ответ па этот вопрос весьма сложен, так как в «холодных» и «горячих» (т. е. недрах звезд) областях кварки аннигилируют с различными скоростями, а закономерности перехода материи между такими областями нам известны лишь приблизительно.

Тем не менее, академик Я. Б. Зельдович, произведя соответствующие подсчеты, пришел к выводу, что в со­временной Метагалактике па одни стабильный нуклон в среднем приходится 10~10—10~13 кварка. Эти реликто­вые кварки и могут присутствовать в космических лучах.

В самом деле, если кварки входят в состав различ­ных космических объектов па равных правах с нукло­нами и атомными ядрами, то, обладая электрическими зарядами, они могут испытывать точно такие же уско­рения, какие испытали частицы космических лучей.

При этом их содержание в космическом излучении, как показал советский физик Е. Л. Фейнберг, должно определяться двумя обстоятельствами. Во-первых, на­чальной реликтовой распространенностью кварков и во-вторых, тем, что эффективность их ускорения несколько отличается от эффективности ускорения нуклонов и ядер.

В частности, некоторые механизмы ускорения, кото­рые для обычных космических лучей играют второсте­пенную роль, для кварков могут играть роль довольно существенную. Подсчеты показали, что «реликтовый» ис­точник кварков в космических лучах может быть более существенным, чем образование кварков в атмосфере под воздействием высокоэнергичных космических частиц.

Вместе с тем проф. Фейнберг пришел к выводу, что содержание кварков в космических лучах зависит преж­де всего от концентрации еще неускоренных — «холод­ных» кварков в источниках излучения.

Попеки же «холодных» кварков па Земле пока еще не принесли успеха. В частности, было установлено, что средняя концентрация кварков на один нуклон для ме­теоритов ниже, чем Ю~’т, для воздуха 5- 10″~27 и для воды 3 * Ю-29. Это, конечно, чрезвычайно низкие концентрации, сильно усложняющие поиски фундаментальных частиц. Однако еще рано делать вывод о том, что содержание кварков столь же невелико и для других космических объектов. Не исключена возможность, что вещество Земли прошло в отдаленном прошлом через горячую стадию, вследствие чего все или почти все кварки «вы­горели».

Таким образом, попытки обнаружения кварков в со­ставе космического излучения представляются вполне оправданными. Однако сколько-нибудь надежных прак­тических результатов в этом направлении до сих пор получить не удалось. Возможно, это связано с тем, что соответствующие измерения проводились па высотах, не превышающих 2600 м над уровнем моря. Между тем подобные эксперименты могут иметь шансы на успех лишь в том случае, если кварки не являются сильно взаи­модействующими частицами. Только при этом условии они способны «пробиваться» в нижние слои атмосферы.

Значительный интерес представляют собой исследова­ния группы советских ученых под руководством акаде­мика Зельдовича, связанные с поисками кварков в гра­фите. С помощью специально разработанной остроумной методики измерялась величина электрических зарядов у мельчайших графитовых пылинок с поперечником от !() до 25 микрон и с. массой около 0,34-2,0 — Ю-8 г. Из 26 исследованных пылинок шесть вели себя, таким обра­зом, как если бы у них были дробные электрические заряды, близкие к одной трети заряда электрона, а именно такое значение дает теория для электрического заряда кварка.

Однако и в этом случае, возможно, влияние различ­ных посторонних факторов, которые пока еще не под­даются точному учету, не дает возможности сделать определенный вывод о существовании или отсутствии кварков. Единственное, что можно сказать с достаточной степенью уверенности, это то, что средняя концентрация кварков в исследовательском образце графита меньше 10~16 кварков на один нуклон.

Существует еще один путь. Он основан па том, что отрицательно заряженный свободный кварк должен за­стревать в атомных ядрах. Очевидно, такие «кварко-атомы» уже не будут электрически нейтральными. Из-за дробности заряда кварка они превратятся в своеобраз­ные ионы.

При этом заряд ядра кваркоатома меньше, чем заряд обычного ядра того же химического элемента. В резуль­тате связь между ядром и электронами оказывается ос­лабленной, а это в свою очередь должно приводить к определенным изменениям в спектрах.

Это обстоятельство привело советских ученых С. Б. Ппкельиера и Л. А. Вайпштейпа к идее поиска кваркоатомов на Солнце. Как известно, на Солнце ме­тодами спектрального анализа мы находим почти все химические элементы, которые имеются па Земле. По­чему бы не попытаться обнаружить на Солнце и кваркоатомы?

Путем весьма сложных расчетов ученые вычислили положение спектральных линий гипотетических кварко­атомов и сравнили их с имеющимися в каталогах спек­трами дневного светила. Надо сказать, что в этих спек­трах есть целый ряд «беспризорных» линий — до сих пор не известно, какому элементу они принадлежат.

Оказалось, что некоторые из этих липни хорошо со­впали с расчетными линиями дважды ионизованного «кваркомагния».

Американские ученые, произведя соответствующие расчеты для далекой ультрафиолетовой области, также обнаружили в солнечном спектре линии, подходящие дл я « кваркоуглерода ».

Однако вес эти данные нуждаются в дальнейшей тщательной проверке. Ведь не исключена возможность, что подозрительные линии имеют каких-то других хозяев.