Вера Черногорова - Загадки микромира

Спустя год, в 1932 году, в космических лучах был обнаружен позитрон. В камере Вильсона нашли следы частиц, которые могли принадлежать только электрону, но с положительным зарядом.

При исследовании космических лучей с помощью камеры Вильсона экспериментаторы использовали метод, предложенный еще в 1927 году советским физиком Д. Скобельцыным. Камера Вильсона помещалась между полюсами электромагнита. Это давало возможность не только видеть след элементарной частицы, но и по его искривлению в магнитном поле измерять энергию и определять знак электрического заряда пролетевшей через камеру представительницы микромира. На фотографиях, полученных в камере Вильсона, было отчетливо видно, что следы электрона и позитрона отклоняются в противоположные стороны.

Опыт подтвердил теорию. Двадцативосьмилетний Поль Дирак пополнил список лауреатов Нобелевской премии.

После открытия позитрона возник вопрос: а не имеет ли каждая элементарная частица «антиотражения»? Экспериментаторы занялись поисками антипротона в космических лучах. Электрон-позитронная пара будто бы подтверждала теорию Дирака. Но нет-нет да и закрадывалась мысль об исключении, сделанном природой именно для этих частиц.

«Интервал времени между предсказанием антипротона и его наблюдением в 1955 году был слишком велик, — говорил академик Я. Зельдович, — и у некоторых теоретиков нервы не выдержали — в последние годы появились попытки построить теорию без антипротонов».

Лишь четверть века спустя после предсказания Дирака группа американских ученых под руководством Эмилио Сегре и Оуэна Чемберлена обнаружила антипротон. А через год нашли и антинейтрон.

Ухватившись за позитронный конец, физики сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее стали вытягивать сеть с античастицами. И теперь никто уже не сомневается в том, что у каждой элементарной частицы есть своя тень — соответствующая античастица.

Изучая следы позитронов в камере Вильсона, физики сразу же обнаружили, что электрон и позитрон, встречаясь друг с другом, взаимно уничтожаются — аннигилируют.

За природу бояться было нечего — она при этом ничего не теряла. Масса обеих частиц превращалась в другой вид материи — в энергию, количество которой легко подсчитать по известной формуле Альберта Эйнштейна E = mc 2.

«Этот результат новейшей физики, — писал лауреат Нобелевской премии Макс Лауэ, — является самым потрясающим из всего, что когда-либо приносило развитие естествознания».

Какими же странными оказались элементарные кирпичики материи! Даже такие стабильные частицы, как протон и электрон, могли «исчезнуть» вместе со своими античастицами. Невольно закрадывалась мысль: как могли до нашего времени сохраниться древние породы, сложенные из такого непрочного материала?

Но дело все в том, что элементарные частицы проявляют готовность к превращениям только в специфических условиях радиоактивных ядер и при встрече с античастицами. В доступной нам области мира стабильных ядер неизмеримо больше, чем радиоактивных. А от аннигиляции нас спасает отсутствие в заметных количествах античастиц.

Не так давно еще робость порой мешала физикам признать преподносимые природой новые частицы. Но к началу 50-х годов психология физиков заметно изменилась. Осмелев, они начали «сочинять» новые роли для неоткрытых элементарных кирпичиков, а потом подыскивать для них исполнителей. Как мореплаватели времен Колумба, физики устремились в манящую, неизведанную страну микромира, увлеченные поисками новых частиц.

Ученые с помощью камер Вильсона изучали столкновения элементарных частиц с ядрами. В камеру помещали пластинки из необходимого вещества и прослеживали путь частицы до нее, а также следы тех частиц, которые вылетали из пластинки.

И вот в 1951 году на «приманку» — свинцовую пластинку — клюнула необычайно «странная» частица. Космические лучи высокой энергии, сталкиваясь с протонами и нейтронами свинцовой пластинки, родили новую нейтральную частицу. Сама она не оставила следа, но невдалеке от пластинки были видны расходящиеся из одной точки туманные следы двух заряженных частиц, на которые распалась невидимка. Так заканчивалась короткая жизнь новой частицы, длящаяся всего 10 –10секунды. Но сколько волнений доставили физикам эти мгновения!

Когда начали изучать фотографии со следами деятельности новых частиц, то обнаружили такое, что впору было схватиться за голову. Оказалось, что открыта не одна частица, а два разных вида элементарных кирпичиков: тяжелые ка-мезоны и более массивные, чем нуклоны, гипероны. Сейчас мезонов и гиперонов уже больше дюжины. И хотя никто не нуждался в появлении новых частиц, да еще в столь большом количестве, и никакая из существующих теорий ничего не предсказывала на этот счет, приходилось как-то привыкать к новым обстоятельствам. Приходилось принимать мир элементарных частиц таким, каков он есть.

Одну привычку, в конце концов, всегда можно заменить другой. К «странности» же новых частиц физики не могут привыкнуть до сих пор. Но почему новый «улов» частиц назвали «странным»? В чем их «странность»?

Ка-мезоны и гипероны рождались в результате сильных взаимодействий между нуклонами за невероятно короткое время, намного меньшее того, что мы обычно называем мгновением ока. Распадались они тоже на сильно взаимодействующие частицы, а значит, и исчезать должны были за такое же короткое время. В действительности частицы эти живут в сто тысяч миллиардов (100 000 000 000 000) раз дольше! Ну как тут не назвать их «странными»?

И все-таки «странные» гипероны, по-видимому, довольно близкие родственники нуклонов. Они мирно уживаются рядом не только в таблице элементарных частиц, но и в одном ядре. Нейтральные лямбда-гипероны могут подменить один или даже два нейтрона.

Сам по себе гиперон в ядре не возникает: ядро получает его при столкновении с космическим протоном большой энергии. Один из осколков уносит с собой этот гиперон как память о происшедшей катастрофе. Гиперядро — так назвали осколок — существует столько же, сколько и сам гиперон, приблизительно 10 –10секунды.

Но если гипероны ведут себя более или менее сносно, то родственники пи-мезонов — тяжелые ка-мезоны — оказались настоящими бунтарями и нигилистами. Они не желают считаться с важнейшими законами микромира. С момента открытия и по сегодняшний день опыты с ка-мезонами все время в центре внимания физиков.

Видите, как незаметно, движимые детским вопросом «как все устроено?», мы нашли сначала восемь, а к 1960 году — около тридцати сортов кирпичиков материи. Важность и необходимость первых трех частиц была неоспоримой. Поразмыслив, «пристроили к делу» еще шесть вновь открытых. Но тридцати частицам до сих пор не найдено применения!