Природные и самодельные кварки. Успех кварковой модели и желание свести многообразие частиц к нескольким фундаментальным заставляют физиков искать кварки в природе. Кваркам естественно приписать большую массу. Но рождение частиц с большой массой требует больших кинетических энергий, поэтому поиски кварков следует вести в таких условиях естественно или искусственно созданных, когда имеется возможность трансформации большой порции кинетической энергии в энергию покоя массу.
Связь между массой кварка m q и минимальной кинетической энергией, бомбардирующей частицы Тмин, необходимой для рождения кварка этой массы, зависит от типа реакции, в которой образуется кварк. В соответствии с законами сохранения образование кварка может происходить только в паре с антикварком.
Минимальная энергия, необходимая для рождения кварка массой m q m q m p 3m p 5m p 10m p 20m p Тмин m p c 6 30 70 240 880 Тмин ГэВ 5,6 28 65 225 825 Для реакции образования кварка при соударении двух протонов получается следующая зависимость Тмин от предполагаемого значения m q Тмин2m q m p 2m p m q c В таблице приведены значения Тмин, вычисленные по данной формуле в разных предположениях о значении массы кварка. Существуют соображения, из которых следует, что при данной энергии Т могут рождаться частицы большей массы, чем указано в таблице напр при Т30 ГэВ могут родиться кварки массой до 5m p. Однако вероятность такого процесса настолько мала, что его можно не учитывать в расчетах.
Из таблицы видно, что кварки массой m q 3 m p имеет смысл искать среди частиц, образующихся в мишенях ускорителей протонов на энергию 30 ГэВ, кварки массой m q 5 m p - в мишенях ускорителей на энергию 70 ГэВ и т.д. Для выделения кварков из огромного числа других, рождающихся в мишени ускорителя, можно воспользоваться их специфическими свойствами, обусловленными дробностью электрического заряда.
Например, пониженной ионизирующей способностью. Ионизирующая способность заряженной частицы изменяется пропорционально квадрату ее электрического заряда. Так как кварки имеют заряд, равный 13 или 23 заряда электрона, ионизирующая способность кварков составляет соответственно 19 или 49 ионизирующей способности электронов.
Такие опыты были действительно предприняты сначала на ускорителях в ЦЕРНе и в Брукхейвенской лаборатории, затем в Серпухове, а потом снова в ЦЕРНе на ускорителе протонов до энергии 400 ГэВ и в Батавии на ускорителе протонов до энергии 500 ГэВ, но они не дали положительного результата. Это означает, что либо масса кварков превышает 15 протонных масс, либо они рождаются с гораздо меньшей вероятностью, чем предполагали, либо, наконец, кварков в свободном виде нет вообще. Кварки, рожденные космическим излучением В составе космического излучения имеются протоны энергией выше 500 ГэВ. Эти протоны в соударениях с ядрами атмосферы могут рождать кварки, даже если их масса превышает 15 m p. Кварки, рожденные космическим излучением, можно пытаться регистрировать при помощи детекторов, чувствительных к ионизации, вызываемой быстродвижущимися частицами с дробным электрическим зарядом.
Камера Вильсона Одним из таких детекторов может быть камера Вильсона, следы заряженных частиц в которой имеют вид цепочек из капелек жидкости. Эти капельки образуются в результате Конденсации пересыщенного пара на ионах, возникающих вдоль траектории заряженной частицы.
Ионизирующая способность кварка составляет 19 или 49 ионизирующей способности электрона. Поэтому плотность капелек на следе кварка должна быть в 9 раз меньше, чем на следе электрона. В свое время в печати появились работы, в которых сообщалось об обнаружении частиц с 50-ной ионизирующей способностью. Однако впоследствии оказалось, что полученные результаты являются сильной флюктуацией ионизирующей способности обычной частицы с z1. Концентрация кварков в водных бассейнах Земли Кварки пытаются вылавливать не только из падающего на Землю космического излучения, но и из земных водных бассейнов.
Естественно считать, что кварки, возникающие при взаимодействии космических частиц с атомными ядрами атмосферы, становятся центрами конденсации водяных паров, падают вместе с дождем на землю и в конце концов попадают в озера, моря и океаны.
Так как описанный механизм образования кварков действует постоянно, а распадаться они не могут, концентрация кварков в водных бассейнах Земли должна непрерывно возрастать с течением времени. В связи с дробностью заряда можно предполагать, что по крайней мере один из кварков с наименьшей массой стабилен, т.к. ему не на что распадаться. Более тяжелый кварк может превращаться в легкий без нарушения закона сохранения электрического и барионного зарядов. Оценки показывают, что за время существования Земли с помощью такого механизма могло накопиться до 100 000 кварков в каждом 1 куб.см воды. Но и в воде кварков не нашли