§ 2. Поиски кварков

Существуют ли кварки? Мы этого не знаем! До сих пор кварки не были найдены в природе, хотя экспериментаторы энергично охотились за ними в течение нескольких лет [15]. Отметим, что в силу закона сохранения заряда по крайней мере одна частица с нецелым зарядом предполагается стабильной. Поиски кварков ведутся по следующим направлениям.

Одно направление — это геофизическо-химический подход, в котором предполагается, что по какой-то причине стабильные кварки, или вообще частицы с нецелым зарядом, находятся в малых концентрациях в метеоритах, планетах и, в частности, в земной коре [18—20]. Они могут быть остатками процесса рождения, имевшего место в течение космологического «большого взрыва», или продуктами столкновений космических лучей высокой энергии, взаимодействующих с атмосферой Земли с момента ее образования. Если эти кварки несут отрицательный заряд, то они будут захватываться ядрами на боровские орбиты и образовывать атомы с нецелым зарядом, что может приводить к особым химическим или физическим свойствам малых количеств земной коры. Химический анализ морской воды [21] дал верхний предел концентрации кварков на нуклон Теоретические оценки весьма не убедительны и сильно зависят от выбора модели [18-20, 22]. В настоящее время проводятся эксперименты милликеновского типа [23], но видоизмененные из-за малых концентраций. Идея заключается в том, чтобы произвести опыт Милликена на более крупных телах — зернах материи, которые намагничены и удерживаются в своем положении подходящими магнитными полями. В другом эксперименте [24], давшем отрицательный результат, исследователи производили поиски кварковых атомов (т. е. водородоподобных атомов, образованных одним положительно заряженным кварком и одним электроном) в солнечной фотосфере, изучая солнечный спектр.

Другое направление поисков охватывает попытки обнаружить кварки непосредственно в космических лучах [25—28] и в экспериментах на ускорителях [29—31]. Эти эксперименты приводят к установлению верхних пределов для потоков кварков или сечений рождения, что в свою очередь приводит к получению нижних пределов для массы кварка в предположении, что можно произвести оценку сечения рождения. В экспериментах на ускорителях ведутся поиски кварков в реакциях типа

Энергии существующих ускорителей недостаточны для образования кварков, если масса кварков значительно больше . В недавних экспериментах установлен верхний предел сечения реакции (4.1) при импульсах протона в лабораторной системе порядка Он равен Оценки [22, 32, 33] этого сечения на основе статистической модели рождения частиц обнаруживают сильную зависимость от массы кварка Согласно модели Хагедорна [33],

где Эта формула справедлива в области энергий много выше порога рождения и дает результат, не зависящий от полной энергии. Отметим, что уменьшается в раз, если увеличивается на одну массу нуклона. При формула (4.2) дает что по порядку величины совпадает с экспериментально найденным нижним пределом. Этот факт приводит к выводу, что нижний предел массы кварка составляет около

Эти неудачные результаты поисков кварков могут объясняться несколькими причинами.

1. Кварки могут обладать очень большой массой. Если масса кварка велика, например равна то сечение рождения, согласно формуле (4.2), слишком мало, чтобы создать заметный поток частиц.

2. До сих пор исследователи вели поиски почти исключительно кварков с дробным зарядом или (см., однако, [34, 35]). Было отмечено [36], что не исключено существование связанных систем кварков (таких как с нецелым зарядом и массой, меньшей чем в которые кварки могли бы распадаться за счет сильных взаимодействий. При этом стабильная система не обязательно имела бы заряд или а могла бы иметь дробный заряд, больший чем

3. Возможно, что кварки не существуют в виде свободных частиц, а из-за какого-то принципа отбора находятся только в определенных связанных комбинациях, имеющих целочисленные заряд и барионное число.

Несколько предположений в этом направлении было сделано Шиффом [37] (см. гл. 7, § 2).

4. Кварки могут представлять собой некоторый вид квазичастиц, которые, подобно фононам внутри кристаллической решетки, имеют смысл только как динамические сущности внутри адронов. Хорошо известно, что многие свойства колеблющегося кристалла можно успешно описать на основе предположения о невзаимодействующих независимых фононах, которые, очевидно, не могут существовать вне кристалла.

Две последние альтернативы позволяют думать о кварках, как о довольно легких объектах с массами порядка нескольких сотен мегаэлектронвольт [ср. (4.6)].