Наука, изучающая мельчайшие детали этой картины - кварки, глюоны и десяток других экзотических частиц, о существовании которых сегодня знает лишь горстка специалистов, называется физикой высоких энергий. В эту область были вложены значительные усилия, принесшие в последние годы блестящие плоды. Вот неполный перечень важнейших открытий, которые могут привести к столь же серьезным последствиям, как, скажем, открытие радиоактивности: 

• объединение электромагнитных и слабых взаимодействий, доказательство их единой природы;     
• новые кварки и лептоны;     
• масса покоя нейтринов;     
• возможность распада протонов.     

Любое из них, как знать, может в будущем дать начало целому, направлению практической деятельности, сильнейшим образом повлиять на   прогресс   человечества. 

   К фундаментальным объектам, кирпичикам, из которых построено вещество, ранее относили протоны, нейтроны, пионы (пимезоны) и им подобные частицы, называвшиеся элементарными. Такое название — элементарные частицы — еще можно встретить в школьном учебнике или популярной книжке десятилетней давности. В научной литературе этот термин уже практически вышел из употребления, поскольку стало ясно, что и протон, и нейтрон, и почти все остальные частицы имеют сложную внутреннюю структуру - природа соорудила их из кварков и глюонов. Хорошо известно, что вещество построено из атомов, атомы построены из ядер и электронов, ядра построены из протонов и нейтронов. История повторяется: протоны и нейтроны, оказывается, тоже составные. Будет ли конец у этой матрешки? 

   Конечно, новый, кварк-глюонный уровень строения вещества не является простой копией предыдущих хотя бы потому, что эти объекты обладают некоторыми особыми, ранее не встречавшимися свойствами. Скажем, можно без особого труда расщепить атом на ядро и электроны и развести эти детали в разные стороны. Кварки же, хотя и движутся внутри протона почти свободно, по-видимому, принципиально неотделимы друг от друга. Точнее, чтобы выделить отдельный кварк в чистом виде, без облака партнеров-антикварков, требуется бесконечно большая энергия. Динамика взаимодействия между кварками и глюонами внутри частиц сейчас интенсивно изучается, но многие важные вопросы еще остаются без ответа. Вместе с тем передний край исследований, по-видимому, уже продвинулся дальше: на очереди вопросы о том, где находится следующий «уровень фундаментальности» и как устроены субкварки — объекты, из которых, как предполагается, могут состоять кварки. 

   В процессе изучения состава, так сказать, бывших элементарных частиц пришло новое, значительно более глубокое понимание природы взаимодействий, управляющих движением и превращением частиц. В физике высоких энергий три типа взаимодействий — сильное, электромагнитное и слабое — известны давно. В процессах, характеризующихся  сравнительно  низкой    энергией, проявления этих взаимодействий   настолько не похожи друг на друга, что их относили к разным дисциплинам, преподавали и изучали   раздельно.   Трудно   было даже предположить, что они имеют единую природу. Но вот по мере того, как росли знания,  возникло,  а  затем  и утвердилось представление о том, что все фундаментальные взаимодействия имеют единую основу, все они связаны с так называемой локальной калибровочной симметрией. С ростом энергии  взаимодействующих частиц различия между сильным, слабым и электромагнитным взаимодействиями становятся менее существенны, а затем, возможно, стираются вовсе. Уже блестяще подтвердилась  на опыте   теория    электрослабого   взаимодействия, слившая в одно целое два  круга явлений, которые еще десять - пятнадцать лет назад представлялись очень далекими.  Более того, интенсивно разрабатываются гипотезы,  получившие  наименование «великого синтеза»,   стремящиеся   связать   в рамках общей теории все  фундаментальные  силы. Итак, на сегодняшний день кирпичиками вещества   нам    представляются   кварки   и лептоны (к последним относятся электрон, мюон, нейтрино и несколько других   менее известных частиц).

   Кварки и лептоны обмениваются фотонами, и этот обмен приводит к возникновению   обычных  электромагнитных сил. Кварки могут обмениваться также глюонами, в результате чего возникает сильное взаимодействие, связывающее кварки нервущимися нитями. Наконец, существует третий класс — частиц-переносчиков. Это так называемые промежуточные бозоны (они обозначаются буквами W и Z), ответственные за слабое взаимодействие кварков и лептонов. Правда, эти частицы еще не открыты экспериментально, так как их предполагаемая масса велика и для «создания» промежуточных бозонов пока не хватает энергии ускорителей. Имеется, однако, много косвенных свидетельств, подтверждающих существование бозонов W и Z, и мало кто сомневается в том, что они будут обнаружены в ближайшем будущей...  

Как все начиналось

Физика высоких энергий, как и любая наука, развивается непрерывно. Ставятся эксперименты, идут будничные измерения, одна за другой выдвигаются и отвергаются гипотезы, строятся модели. Но, как правило, раньше или позже появляется работа, теоретическая или экспериментальная, которая венчает череду локальных наступлений и знаменует начало большого прорыва. Точно так же ранней весной в любом деревце внутри голых веток происходит длительная подготовительная работа, незаметная для стороннего наблюдателя, а в один прекрасный день вы просыпаетесь и видите на ветках молодые зеленые листья. Таким днем для физики высоких энергий было 11 ноября 1974 года. Именно тогда на пресс-конференции, состоявшейся в Стэнфордском линейном ускорительном центре (США), было объявлено об открытии частицы, получившей двойное имя «джей-пси». В этот же день по телефонам новость была передана во все крупнейшие физические центры мира. С раннего утра и зачастую до полуночи продолжались дискуссии, споры, обсуждения. Созывались внеочередные семинары. Работа продолжалась до изнеможения. Такую же картину в те дни, видимо, можно было наблюдать и в других лабораториях. Примерно через десять дней после открытия «джей-пси» был обнаружен ее младший брат, которого наименовали «пси-прим». 

   О необычности ситуации можно судить по числу публикаций, вызванных к жизни непосредственно открытием новых частиц и появившихся в течение первого же месяца. Их было несколько сотен. Активность теоретиков достигла предела, а их состояние в те дни можно охарактеризовать словами: изумление, энтузиазм, готовность к новым сюрпризам.

Главное действующее лицо

Почему же появление двух новых частиц вызвало столь большое возбуждение, когда к этому времени их было известно около двух сотен, причем семейство пополнялось чуть ли не ежемесячно? Что повергло в изумление опытнейших специалистов? Все дело в удивительном сочетании свойств «джей-пси» и «пси-прим»: обладая массой в 3 - 4 раза больше протонной, они живут приблизительно в 2000 раз дольше, чем известные ранее частицы из той же «весовой категории». Для неспециалиста это несоответствие полезно, видимо, проиллюстрировать наглядной аналогией — представьте себе, что вы встретили человека прожившего 140 тысяч лет, или слона на курьих ножках, у которого к тому же крылья, как у бабочки, а на лбу сумка, как у кенгуру. 

   К моменту открытия было известно, что все частицы делятся на лептоны и адроны. Лептоны участвуют в слабых и электромагнитных взаимодействиях, а в сильных не участвуют. Самый известный представитель лептонов — электрон. Другая частица, которую с некоторыми оговорками можно отнести к лептонам, - фотон.     Семейство адронов гораздо более многочисленно. Термин адрон, введенный в употребление Л. Б. Окунем, по-гречески означает «крепкий, сильный». Он подчеркивает то обстоятельство, что силы, действующие между адронами,— наиболее мощные из известных в природе.

   По своим, так сказать, паспортным данным — по квантовым числам — «джей-пси» и «пси-прим» повторяют фотон, но в отличие от него имеют не нулевую, а весьма большую массу. Так, может быть, просто найден тяжелый фотон, или, точнее говоря, промежуточный бозон, предсказанный теорией? Это удобное предположение пришлось отвергнуть — масса новых частиц была примерно в 30 раз меньше ожидаемой массы промежуточных бозонов. Значит, адрон? И эта гипотеза оказалась несостоятельной. Адроны легко переходят друг в друга, и тяжелый адрон, родившись, непременно распадается примерно за 10-23 с на более легкие. А «джей-пси» и «пси-прим» живут больше, чем 10-20 с.