Вера Черногорова - Загадки микромира

Легко сказать, найти модель для протона. И все-таки ее нашли. Электрон! Полноправный гражданин мира элементарных частиц, электрон тоже владеет единичным зарядом, но почти в тысячу раз легче протона. Электроны с энергией всего 0,5 Мэв имеют ту же скорость, что и тяжелые протоны, ускоренные до 1000 Мэв, и прекрасно имитируют движение протонов в магнитном поле.

На маленькой электронной модели протонного циклотрона диаметром всего в два метра удалось подобрать необходимую конфигурацию поля. Модель оказалась вполне жизнеспособной. В начале 1971 года директор лаборатории ядерных проблем ОИЯИ В. Джелепов сообщил: «Эксперименты на электронной модели показали, что можно ускорять протоны до энергий порядка 1000 Мэв и одновременно будут вылетать 10 18частиц в секунду! Мощность такого пучка будет достигать сотен мегаватт. А это путь к созданию сверхмощных мезонных фабрик, нейтронных генераторов и др.».

«Мезонная фабрика» — такое название закрепилось за ускорителями, рассчитанными на энергию протонов не больше 1000 Мэв, но с интенсивностью частиц на несколько порядков выше, чем у обычных машин. На этих установках можно будет получать мощные пучки пи- и мю-мезонов. Пучки эти необходимы не только для фундаментальных исследований, но и для чисто практического применения.

В нашей стране есть малоосвоенные места с дешевыми источниками энергии. Например, Восточная Сибирь с ее неисчерпаемыми запасами гидроэнергии. Сейчас ток, вырабатываемый сибирскими ГЭС, по линиям высокого напряжения большой протяженности вливается в общую энергосистему. Потери на этих линиях довольно велики. Сильноточный ускоритель с мишенью-реактором мог бы прямо на месте с большой экономической выгодой перерабатывать дешевую энергию в ядерное топливо. А компактную продукцию такого «завода» нетрудно переправить туда, где она необходима.

Невозможно сказать, когда, где и в каком варианте будет создана такая установка для получения вторичного горючего. Это зависит от многих обстоятельств: и от дальнейшего развития ускорительной техники, и от того, удастся ли найти удачное инженерное решение конструкции реактора-мишени, и от того, будет ли эта реальная установка экономически выгодной.

Но ясно одно. Предложен новый способ получения расцепляющих материалов, основанный на глубоком знании поведения элементарных частиц больших энергий.

Летом 1971 года подмосковный город Дубна вновь встречал гостей — участников IV Международной конференции по физике высоких энергий и структуре ядра. На одном из заседаний конференции к кафедре один за другим подходили трое советских ученых и рассказывали о достижениях в новой области исследований, родившейся в Дубне, — мезонной химии.

«Работы советских ученых в области мезохимии лучшие в мире. Мы хотели бы работать в сотрудничестве с ними», — сказал выступивший на конференции профессор Л. Розен из США.

Что такое мезохимия?

Вдоль стены большого зала синхроциклотрона ОИЯИ идет ряд отверстий-каналов, по которым из ускорителя «подаются» для экспериментов различные частицы: протоны, нейтроны, пи-мезоны. Там, где проходят пучки мю-мезонов, стоят установки, на которых с помощью этих частиц изучаются важнейшие характеристики химических реакций. Установки эти очень похожи на многие другие, расположенные в зале. В них много «физического» — счетчики элементарных частиц, массивные блоки свинцовой защиты, и нет ничего «химического» — ни колб, ни пробирок, ни перегонных аппаратов. Отсутствует также и непосредственный контакт ученого-химика с исследуемым веществом. Во время работы ускорителя ученые находятся за несколько десятков метров от зала и только по показаниям приборов следят за идущими в веществе мишени реакциями.

Как возник этот новый удивительный метод изучения химических свойств элементов?

Мю-мезон — один из ветеранов таблицы элементарных частиц. Его нашли в космических лучах еще в 1938 году, через несколько лет после предсказания японским физиком-теоретиком X. Юкава легкой нестабильной частицы — переносчика ядерных сил.

Однако быстро откликнувшаяся на призыв физиков частица вскоре разочаровала их: мю-мезон не годился для предлагаемой ему роли. Но тогда возникает вопрос: какое место в природе занимает эта частица, во всем похожая на электрон, но с массой, в двести раз большей? Вопрос, заданный тридцать лет назад, остается и по сей день без ответа, хотя находится в центре внимания физиков.

«По-видимому, — говорит академик М. Марков, — одна из фундаментальных проблем современной теории элементарных частиц — это проблема, связанная с пониманием различий в физических свойствах мю-мезона и электрона и места мю-мезона и электрона в систематике элементарных частиц».

Экспериментаторы, работающие на ускорителях, начиная с 50-х годов детально исследовали свойства быстрых мезонов и мезонов, останавливающихся в веществе. А загадочная частица не выдала своей тайны ученым. Зато именно эти работы стимулировали рождение мезохимии.

Мю-плюс- и мю-минус-мезоны рождаются при распаде более тяжелой нестабильной частицы — пи-мезона. Появляются они на свет в сопровождении нейтрино. А эта удивительная частица всегда награждает свидетелей своего рождения каким-нибудь необычным свойством.

Не остаются без «подарка» и мю-мезоны (мюоны). Магнитные моменты всех частиц одного знака заряда имеют строго определенное направление. Про такие мюоны говорят, что они поляризованы. Но каково было удивление физиков, когда они обнаружили, что стоит этим частицам затормозиться и остановиться в веществе, как за несколько миллионных долей секунды, остающихся до их распада, большинство мезонов теряет свою поляризованность. Почему? Что происходит в мишени, поставленной на их пути?

Измерения проводили в разных веществах, но результаты измерений не поддавались интерпретации. В одних мишенях равнение нарушали меньше половины всех мезонов, в других — почти все частицы теряли первоначальную поляризацию. Она менялась и от температуры вещества мишени, и от его молекулярной структуры, наличия примесей и величины напряженности внешнего магнитного поля и от многих других внешних условий.

Крупнейший советский физик-теоретик Л. Ландау одним из первых объяснил, что же происходит с мю-плюс-мезоном, останавливающимся в веществе. Мезон, оказывается, отрывает от одного из окружающих атомов слабо связанный с ним внешний электрон и создает свой собственный атом — атом мюония.

Мюоний экспериментаторы обнаружили. Но оставалось непонятным: что происходит с ним дальше, в самые последние миллионные доли секунды до распада?