Вера Черногорова - Загадки микромира

Уточняя паспортные данные частиц, физики обратили внимание, что большинство известных частиц живет дольше 10 –14секунды. Меньше всех — около 10 –19секунды — существует лишь одна частица под названием эта-мезон.

Но ученые не могли понять, почему не обнаружено частиц с временем жизни в интервале от 10 –19секунды до так называемого «ядерного» времени, равного 10 –22–10 –23секунды? Того самого минимального времени, необходимого новорожденной частице, чтобы заявить о своем появлении на свет. Но едва физики успели задать себе этот вопрос, как частица, рождающаяся на столь краткое мгновение, что и мгновеньем-то его нельзя назвать, была открыта!

За два года до смерти пятидесятилетний Энрико Ферми на Чикагском ускорителе низких энергий поставил опыт, чтобы выяснить детали взаимодействия пи-мезонов с нуклонами. Результаты оказались удивительными! При некоторой энергии пи-мезона его взаимодействие с протоном меняло свой характер. Это напоминало, например, резкий всплеск интенсивности электромагнитных волн, когда частота излучения генератора приходит в резонанс с частотой, на которую настроена передающая антенна.

Здесь же в резонанс вошли кинетическая энергия пи-мезона и потенциальная энергия его взаимодействия с протоном. Мезон в течение времени, сравнимого с ядерным временем, как бы «задерживался» около протона, и возникала новая сложная частица. Но в те дни этот резонанс не рассматривался еще как частица.

Когда появились более мощные ускорители, энергия протонов была уже так велика, что при столкновении с нуклонами вещества протоны рождали одновременно несколько частиц разных сортов. Физики задумались. А что, если это осколки какой-то первичной, сверхтяжелой частицы, которая распалась в течение «ядерного» времени?

Если измерить углы разлета всех рождающихся частиц и их энергию, то можно было вычислить массу этой «прачастицы». После проделанных измерений и расчетов физики пришли к выводу, что «прачастицы» существуют. Они в течение 10 –23секунды распадаются на обычные уже знакомые нам нуклоны, гипероны и мезоны. Новые частицы получили название «резонансов», в котором отражена история их открытия.

Как выяснилось, образование резонансов не исключительное, а довольно общее свойство сильно взаимодействующих частиц. При достаточно большой энергии столкновения могут образоваться две, три и больше вторичных частиц, объединяющихся в неустойчивые комплексы.

Первые открытые резонансы были комплексами двух частиц. Одни из них распадались на два пи-мезона, другие — на ка- и пи-мезоны. Потом обнаружились новые, более сложные комбинации.

«Ловлей» новых частиц стало заниматься так много экспериментаторов, что большинство резонансов обнаруживали одновременно в нескольких лабораториях.

«Досадно, что Ферми, обнаруживший в 1953 году первый случай так называемых адронных резонансов, не смог увидеть продолжающегося до сих пор триумфального развития этого направления и появления в таблицах элементарных частиц сотен резонансов», — писал в воспоминаниях об Энрико Ферми его ученик, советский академик Бруно Понтекорво.

Так сколько же, наконец, элементарных частиц известно на сегодняшний день?

Настало время подвести итог, хотя это и не так просто сделать. Рамки довольно скромной, как мы теперь видим, таблицы элементарных частиц, составленной физиками к 1960 году, были сметены потоком открытых за короткое время новых частиц — резонансов.

Известные нам ранее 30 элементарных частиц, которые еще несколько лет назад могли претендовать на исключительное внимание, оказались лишь относительно устойчивыми и более легкими собратьями огромной совокупности образований. Но и по сей день от экспериментаторов то и дело поступают сообщения об открытии все новых и новых частиц. И все они пока что относятся к резонансам.

Даже специалистам, работающим в области физики элементарных частиц, трудно назвать точное число всех кирпичиков материи. Их уже более двух сотен! Сейчас специальный международный центр ежегодно выпускает стостраничный журнал со сведениями о вновь открытых частицах.

Итак, пытаясь ответить на вопрос, «как все устроено», физики прошли длинный путь. Вначале была сложная картина строения материи — около девяти десятков «элементарных» атомов. Ее сменила наипростейшая, состоящая всего из трех основных кирпичиков — протона, нейтрона, электрона. И в конце концов пришли к открытию удивительного мира элементарных частиц.

Увлекательны путешествия в космос, на дно морей и океанов. Но не менее увлекательно путешествие в глубины материи!

Альфа-частицы впервые позволили Резерфорду исследовать пространство на расстоянии 10 –13сантиметра. А современные сверхскоростные атомные снаряды дают возможность зондировать пространство на расстоянии до 10 –15сантиметра!

Кроме новых масштабов пространства, элементарные частицы дали возможность нам познакомиться и с абсолютно новыми масштабами энергии.

После открытия реакций деления, физики были потрясены количеством энергии, выделяющимся при делении одного атомного ядра урана. Но при столкновении протона с нуклонами в Серпуховском ускорителе передается и поглощается в тысячу раз большее количество энергии!

Мгновение — и во все стороны от мишени разлетаются только что возникшие нуклоны и антинуклоны, мезоны и гипероны. Мгновение — и распадаются на отдельные частицы самые тяжелые из частиц — резонансы. Каждое столкновение вызывает к жизни этот неспокойный, волнующий, изменчивый мир, все краски и разнообразие которого зависят от энергии. Именно энергия и только она — та питательная среда, в которой на мгновение расцветают необычайные «миражи» микромира.

«По своему первоначальному смыслу, — пишет академик М. Марков, — термин „элементарные частицы“ должен был бы обозначать простейшие частицы, из которых состоит материя».

А не поторопились ли так назвать протоны, нейтроны и другие частицы? Разве тяжелые, мгновенно распадающиеся гипероны и резонансы похожи на простейшие части материи?

Сомнения одолевали ученых давно. В 1950 году, когда было обнаружено всего лишь девять кирпичиков материи, Энрико Ферми говорил, что «это уже достаточно большое число, чтобы вызвать подозрение в элементарности хотя бы некоторых из них».