Протон-долгожитель

Любая пьеса начинается с краткой ремарки автора о месте действия. «Море и корабль; сзади необитаемый остров», — так начинает Шекспир «Бурю». По тому же принципу строится и научная статья. Если это работа из области физики элементарных частиц, первые несколько строк ее обязательно рассказывают, на каком ускорителе, пучке частиц и установке выполнена работа. Тем самым читатель вводится в курс дела, и если он не новичок, то не один раз слышал об этом ускорителе и установке, а, вероятно, видел их. И еще не читая статьи, представляет себе возможности и сложности эксперимента.
Но вот последние несколько лет в качестве места действия, где разворачиваются события физики элементарных частиц, выбираются несколько странные объекты. Например, кубический километр воды, то есть миллиард тонн, в океане или «кубик» в тысячу раз поменьше в озере Байкал. Шахта «Колар Голд» в Индии, тоннель под Монбланом, установка под горой Андырча в Баксанском ущелье, соляные шахты в США, штат Юта, тоннель Гран Сассо в Апеннинах, в ста пятидесяти километрах от Рима,— согласитесь, места труднодоступные, и не сразу понятно, зачем так стремятся физики спрятаться от солнечного света.
Можно предположить, ч.то у них просто страсть к экзотике. В самом деле, располагают установки в горах Памира, запускают приборы на воздушных шарах и космических кораблях, а теперь решили под землю забраться. Нет, конечно, хотя определенная связь между высотными и подземными экспериментами существует. И там, и там большую роль играют потоки лучей, приходящих на Землю из космоса. Однако в погоне за ними забираются в горы и на космические корабли потому, что земная атмосфера поглощает часть лучей и искажает их путь, а ученые стараются избавиться от ее вредных воздействий. Во втором же случае, о котором мы и будем говорить подробно, космические лучи уже вредны: попадая в экспериментальную установку, они вызывают ее ложное срабатывание. Поэтому и приходится как бы заслоняться щитом или зонтиком от «космического дождя».
Но в лучах попадаются такие частицы, как нейтрино, для которых и «зонтик» толщиной в Землю — не преграда. Совсем избавиться от них не удается, но чем меньше будет их, тем лучше. Искусственные «экраны-щиты-зонтики» непомерно дороги, поэтому лучше пользоваться естественными — толщами воды или горы. Возникает естественный вопрос: если физики так «боятся» космических лучей, что готовы от них спрятаться под землю, то как же работают десятки ускорителей   и   сотни   установок   на   поверхности   земли?
Все  дело   в   том,   сколько  событий   регистрирует установка. На ускорителях в основном идут эксперименты, где происходят десятки, сотни или даже тысячи нужных физикам взаимодействий в секунду, и число ложных срабатываний из-за космических лучей исчисляется долями процента, причем количество их можно рассчитать. А если нужных событий всего единицы в течение года? На поверхности земли за это время через установку пролетят миллионы космических частиц, и узнать, сколько их, удается лишь с точностью до тысячи. Как заметить на этом огромном фоне нужное нам срабатывание? Вот и приходится прятаться.
Но что же это за события, что происходят так редко, несколько раз в год? Это — распад протона. В мире элементарных частиц распады их и превращение одних в другие — дело вполне обычное. Но физики давно заметили, что не каждая частица может превращаться в каждую, у этих процессов есть свои вполне определенные законы — например, сохранения энергии или сохранения заряда. Есть еще закон сохранения барионного числа. Барионы — это протон и нейтрон, составные части ядра. Во всех реакциях их суммарное число до и после реакции одинаково. Объяснить этот факт, исходя из каких-то фундаментальных физических законов, не удается, поэтому и пришлось ввести еще один закон сохранения. Сохраняется барионное число, и все тут, а почему — объяснить не можем.
Нейтрон немного тяжелее протона, и у него хватает массы, чтобы распасться на протон, электрон и нейтрино. А вот протон — самый легкий барион, поэтому, если уверовать в абсолютную справедливость закона сохранения барионного числа, то протон обречен на вечную жизнь. Но последнее время возникли сомнения в этом из-за единых теорий взаимодействия частиц.
В 1967 году была предложена модель объединения электромагнитного и слабого взаимодействий, а в 1979 году ее создатели — Шелдон Глешоу, Стивен Вайнберг и Абдус Салам — были удостоены Нобелевской премии по физике, поскольку модель подтвердилась во многих экспериментах и постепенно ее стали называть теорией. Такой успех не мог не вдохновить физиков на дальнейшие поиски в этом направлении. Возникли идеи объединения слабого, электромагнитного и сильного взаимодействий, так называемого «Великого объединения». Опирались эти гипотезы на такие факты: в слабом и электромагнитном взаимодействии участвуют лептоны — электрон, мюон, недавно открытый тау-лептон и их сопутствующие нейтрино, всего шесть штук, а адроны — частицы, которые взаимодействуют сильно, состоят из шести сортов кварков.
Может быть, это не случайное совпадение, а результат того, что все взаимодействия — следствия одного фундаментального? Кроме того, с ростом энергии частиц растет величина электромагнитного и слабого взаимодействий, а величина сильного уменьшается; И хотя при современных энергиях ускорителей, около тысячи ГэВ, эти взаимодействия сильно отличаются друг от друга, когда-нибудь они все сравняются по величине. Правда, наступит этот счастливый момент при колоссально-громадно-огромной энергии — десять в пятнадцатой степени ГэВ. Число это столь велико, что если измерить расстояние от Земли до Солнца в миллиметрах, то получится величина в семь раз меньшая. Вот при такой огромной энергии и наступает объединение, становится видна симметрия всех взаимодействий, а при доступных нам сегодня энергиях эта симметрия очень сильно нарушена.
Стивен Вайнберг заканчивает свою нобелевскую лекцию рассказом о седьмой книге Платона «Государство»: «Платон описывает прикованных в пещере узников, которые могут видеть лишь тени, отбрасываемые на стены пещеры предметами из внешнего мира. А когда узников выпускают из пещеры на свет, глаза их настолько поражены сиянием, что в течение некоторого времени они думают, будто тени, которые они видели в пещере, действительно достовернее тех вещей, которые им сейчас показывают. Но постепенно их восприятие мира проясняется, и они начинают понимать, насколько прекрасен настоящий мир. Мы как раз находимся в такой пещере, прикованные ограничениями на возможные типы экспериментов, доступных нам. Мы не можем выбраться из пещеры, но если долго и терпеливо смотреть на тени на ее стенах, то можно по крайней мере уловить формы симметрии, которые, даже будучи нарушенными, являются точными принципами, управляющими всеми явлениями природы, проявлением красоты внешнего мира».
Итак, где-то далеко-далеко, в области колоссальных энергий, все взаимодействия объединены. А это значит, что кварки и лептоны могут превращаться друг в друга и закон сохранения барионного числа должен нарушаться. Там, в этой недостижимой пока дали, распад протона может происходить с вероятностью около единицы, но в нашем мире малых энергий (в таком контексте мы считаем «малой» энергию в миллиард электрон-вольт — ГэВ) вероятность распада очень мала, то есть велико время жизни. Очень велико, но все-таки конечно! «Великое объединение» предсказывает время жизни протона около десяти в тридцатой степени лет. Для сравнения напомним, что наша Вселенная живет «всего» около десяти в десятой степени лет.
Настало время вернуться с небес теории на землю, а точнее — под землю, и обратить внимание читателя еще на один расчет. Если взять тысячу тонн воды, в ней будет шесть на десять в тридцать второй степени протонов, и если протон «живет» столько, сколько предрекает теория, то за год мы должны наблюдать не менее сотни распадов. Именно с этой целью физики уходят под землю и используют в своих экспериментах колоссальные установки. Приходится тащить сотни тонн вещества для детектора и примерно столько же всевозможного оборудования. Идея экспериментов предельно проста: надо взять побольше вещества и долго смотреть на него. В качестве рабочего вещества берется не просто вода, а специальная жидкость-сцинтиллятор,— которая при прохождении частицы испускает свет. Вот его-то и надо «увидеть» с помощью специальных устройств. Причем основное требование: частица должна родиться внутри установки от распавшегося протона, а не прилететь снаружи.
Один из таких детекторов работает в США, полная масса — сто восемьдесят тонн воды, на глубине четыре с половиной километра водного эквивалента (в разных местах различная плотность вещества, и физики приводят все к водному эквиваленту). За четыре месяца — ни одного кандидата на распад протона. Следствие — время жизни протона больше десяти в тридцатой степени лет. Вторая работающая установка в шахтах Южной Африки. Поменьше вещества, зато поглубже, но результат схожий — нет распадов. А вот в шахте «Колар Голд» в Индии есть три зарегистрированных события, которые авторы причисляют к распаду протона. Эти события — на нашем рисунке. К сожалению, все они зафиксированы на краях установки, и трек частицы цепляется за край снимка. Скептики сомневаются, что это распад протона, — может быть, просто частица, влетевшая снаружи, поглотилась ядром. Но авторы по некоторым специальным признакам отвергают такую возможность и объявляют о распаде протона. Время жизни — восемь на десять в тридцатой степени лет. Есть еще один не вполне объяснимый момент: все три события произошли в первые три месяца работы установки. С той поры прошло еще семь месяцев непрерывной работы, но больше ни одного распада.
Ситуация неясная, а вопрос очень важный. Если протон не распадается, значит — нет «великого объединения», а если время его жизни конечно, то теоретики сделали еще один шаг на пути к единой теории поля. Поэтому планируются установки для таких исследований в разных странах. Готовится подземная лаборатория и Баксанском ущелье. Каждый следующий шаг в глубь материи дается все большим трудом. Чем существенней поставленная физическая проблема, тем сложнее экспериментальная установка для ее разрешения. В отчетах об изучении свойств элементарных частиц все чаще встречаются десятки кубометров, тысячи тонн и месяцы. Но физики во всем мире не отступают перед такими трудностями, и поиск распада протона — яркое тому подтверждение.

Устойчивость и гибкость. Стабильность и пластичность. Взаимодействие двух сил на сцене наследственности
Живые существа обладают способностью порождать себе подобных — это, как говорится, факт, не требующий комментариев. С другой стороны, разнообразие живых организмов бесконечно велико, поистине необъятно. Это тоже факт, не нуждающийся в комментариях.
Оба эти факта становятся возможными, мирно уживаются друг с другом благодаря причудливому сочетанию в наследственности свойств устойчивости, стабильности и свойств гибкости, пластичности.
Стабильность — это и есть то, что делает наследственность наследственностью. Без нее ни один организм не обладал бы свойством порождать себе подобных, то есть из поколения в поколение устойчиво передавать свои качества. Без нее жизнь, живая материя никогда бы не вышли из биохимической колыбели: из древнего первоначального «бульона», где распадаются и случайным образом возникают вновь сложные органические молекулы. Только тогда, когда на туманной заре жизни появились структуры, способные «запомнить» некие правила, обеспечивающие их существование, и устойчиво передавать запомненное своим потомкам, — только тогда преджизнь и смогла стать собственно жизнью. Наследственность обладает гигантской, невообразимой для небиолога силой стабильности. Подавляющее большинство нынешних видов животных и растений возникло тысячи и миллионы лет назад. Науке известны виды, существующие десятки, а может быть и более, миллионов лет. Возможно, что многие генные комплексы, хранящиеся в хромосомах человека,— точные копии структур, возникших еще на ранних стадиях эволюции. И уж во всяком случае основной свод генетических «правил», составляющих наследственность каждого организма, сложился у его далеких предков.
Итак, стабильность, устойчивость, можно даже сказать — консервативность. И — гибкость, пластичность, способность быстро применяться к меняющимся условиям внешней среды.
Виды животных показывают замечательную способность выживать даже тогда, когда на них обрушиваются такие невзгоды, которых уж никак нельзя было ожидать. Виды, возникшие в одном месте, при одних условиях, мигрируют потом на огромные расстояния, занимают порой необъятные пространства ойкумены.
Словом, резервы, пластичности, присущие, казалось бы, донельзя жесткой, консервативной наследственности, огромны. Так что ж, не просятся ли тут на ум знаменитые слова — «вода и камень, лед и пламень»? Нет, потому что стабильность наследственности и ее гибкость (изменчивость) — это качества-близнецы. Они делают одно дело — поддерживают жизнедеятельность организмов в некоем уравновешенном состоянии: достаточно устойчивом, чтобы не развалиться на части под давлением множества возможных перемен, требуемых быстротекущей жизнью, но и одновременно достаточно пластичном, чтобы не оказаться закоснелым монстром и не быть отметенным отбором при очередном сдвиге условий существования. Более того, эти качества-близнецы могут существовать именно и только как близнецы.
Существуй стабильность одна, она пресекла бы действие сил, требующих перемен, заперла бы движение эволюции, остановила бы усложнение органической материи на самых ранних этапах ее развития, и не видеть бы тогда нашей планете даже одноклеточных организмов, не говоря уж о многоклеточных и тем более о разуме. Напротив, действуй в одиночестве гибкость, способность к переменам, она каждый день заново меняла бы то, что только вчера было перекроено, как белка в колесе крутилась бы в кругу вечно начинаемых и никогда не оканчиваемых переделок, не дала бы эволюции сделать даже первого шага, оставила бы ее навсегда сидеть среди хаоса отдельных органических систем,
не состыкованных друг с другом, не сбалансированных, не способных сложиться в нечто целое, да притом еще и непрерывно изменяющихся.
Только вместе, только действуя рука об руку, хотя и в разных направлениях — лишь так жизнь могла возникнуть, выйдя из биохимической колыбели, и двинуться вперед по пути эволюции, развития и усложнения.
Свойства-близнецы... Но вот историческая их судьба в науке была неодинаковой. Свойство стабильности, наглядно обозначающее в облике животных и растений саму закономерность наследования, осознавалось учеными яснее, четче, в более очевидном материальном обличье. Законы Менделя о существовании у живых организмов дискретных признаков, об их независимом расхождении и комбинировании у потомков. Хромосомная теория Моргана. Теория гомологических рядов наследственной изменчивости Вавилова.
Открытие Крика и Уотсона — расшифровка кода наследственных записей... Все это — лишь немногие основные вехи широкого потока исследований, которые позволили генетикам заглянуть в самые сокровенные детали аппарата наследственности. И естественно, что их взгляду открывались прежде всего те стороны этого аппарата, какие обеспечивали действие законов наследования, то есть свойства стабильности.
Со свойством же изменчивости все вышло много сложнее. Оно во все времена было на виду у исследователей. Для его объяснения предложено много гипотез — и весьма значительное их число подтвердилось при позднейших исследованиях. И все же долгое время, может быть вплоть до нынешнего этапа развития генетики, оно рисуется биологам в гораздо более туманных очертаниях. Получилось так потому, что оно в большой степени обусловливается системами управления, регулировки — весьма тонкими, современными элементами наследственного аппарата, которые до последнего времени почти не поддавались прямому исследованию. Лишь семь-восемь лет назад — благодаря возникновению методов генной инженерии — здесь обозначился заметный  перелом.