Вера Черногорова - Загадки микромира

Безмерная щедрость природы озадачивала. Теперь уже никто не брал на себя смелость доказать: сколько именно элементарных частиц должно существовать в природе? Когда завершится список кирпичиков материи? Может быть, список этот уже завершен? А может быть, он только еще начинается?

Нежданно-негаданно физики стали владельцами довольно обширного, «многоотраслевого хозяйства» элементарных частиц. Тут и массивные ядерные нуклоны и гипероны, тяжелые мезоны и легкие нейтрино, мю-мезоны и фотоны. Подробно все и перечислить невозможно.

Частиц стало так много, что невольно закрадывалось сомнение: неужели можно достаточно уверенно отличить одну от другой? Бессмысленно говорить о внешнем виде или цвете гиперонов. Но тем не менее частица каждого сорта вскоре после открытия получала паспорт. Фамилию, национальность, социальное положение ей отлично заменяли значения массы, заряда, времени жизни. Не менее важен был и спин частицы — величина, связанная с ее собственным вращением, либо же магнитный момент, имеющий прямое отношение к распределению токов внутри частицы.

В мире растений и в мире животных особи одного и того же вида всегда, хоть и незначительно, но отличаются друг от друга размерам, окраской, поведением. Иногда малоопытный ботаник или зоолог может даже допустить ошибку в классификации из-за сильного отклонения признаков особи от обычных видовых свойств.

Физику-экспериментатору это не грозит. Элементарные частицы одного «сорта» совершенно одинаковы. Все протоны и все нейтроны тождественны друг другу, и неважно — получены они на ускорителе или возникли в космических лучах. Поэтому нет никакой необходимости каждый раз на опыте досконально исследовать все их свойства. Достаточно лишь установить, к какому «сорту» относится данная частица.

По фотографии следа, которая у заряженных частиц играет роль паспортной карточки, можно найти массу частицы. Если след весь укладывается на снимке и вам известна скорость частицы, то считайте, что вы измерили и время ее жизни. Магнитное поле подскажет знак ее заряда.

Все остальные интересующие физика сведения он получает из таблицы элементарных частиц, составленной по «паспортным» данным каждой из них. Загляните в эту таблицу, и вам сразу же бросится в глаза, что один вид частиц отличается от другого в первую очередь по величине массы, времени жизни или способу распада.

Масса частиц изменяется в огромном диапазоне от ноля (у нейтрино и фотона) до величины, равной полутора тысячам масс электрона у самого тяжелого Ω (омега) — гиперона. А время жизни — от 10 –23секунды у ро-мезона до 10 28лет у протона!

Но какое унылое однообразие в графе «Электрический заряд»! Нейтральная, отрицательно и положительно заряженная — вот и весь диапазон изменений. Правда, слова «отрицательно» и «положительно» заряженные означают лишь знак заряда и ничего не говорят о его величине. Может быть, эта величина варьируется так же сильно, как масса и время жизни?

Для заряда, однако, природа сделала приятное исключение. Частица либо вообще не имеет заряда, либо же у нее заряд в точности равен заряду электрона.

Просматривая таблицу элементарных частиц, мы уже заметили, что одни частицы легче, другие тяжелее; одни живут долго, а другие только мгновение. Но таблица ничего не говорит об их бурной и наполненной удивительными событиями жизни.

Элементарные кирпичики материи рождаются либо в ядерных катастрофах, при столкновении частиц огромных энергий, либо же в «спокойном» радиоактивном распаде. Нестабильные частицы заканчивают свои «дни» распадом на более легкие. Иногда их захватывают атомные ядра вещества, в котором они останавливаются.

Элементарные частицы испытывают превращения при взаимодействии друг с другом. Причем каждая частица проделывает это на свой лад. Именно в этом проявляется основное качественное различие между частицами.

По характеру их взаимодействия нуклоны и гипероны объединили в группу адронов. Ка-мезоны и пи-мезоны выделили в другую группу. А легкие частицы мю-мезоны, электроны и нейтрино — назвали лептонами.

Нуклоны не могут подменить ка-мезоны в ядерных реакциях. В гиперядре лептоны никогда не заменят гиперонов. Нейтрон не может распадаться так, как это делают «странные» частицы. А пи-мезон не может родиться в радиоактивном бета-распаде ядер.

Мало кто из сидящих в цирке догадывается, каким способом иллюзионист совершает тот или иной трюк. Но ни у кого это не вызывает ощущения непознаваемости. Все понимают, что аттракцион основан на определенных правилах, если хотите, своего рода законах, где ловкость рук соединяется с изобретательностью и фантазией.

Пока что физики похожи на зрителей цирка. Они не всегда знают, почему именно так ведет себя та или иная частица. Но, изучая микромир, физики поняли, что никакого хаоса в нем нет. Поведение частиц подчиняется четким, строгим законам.

Наш рассказ об открытии элементарных частиц остановился на 1960 году, когда на руках у физиков оказалось около 30 сортов простейших кирпичиков материи и не осталось никаких сомнений в том, что в скором времени число их может удвоиться.

К этому времени физика элементарных частиц перестала питаться только сведениями, поступающими от исследователей космических лучей. В научных лабораториях появились мощные ускорители.

Уже в 1949 году в Институте ядерных проблем АН СССР начал работать самый мощный в то время ускоритель в мире. С его помощью физики узнали много нового о свойствах атомных ядер, о взаимодействии быстрых протонов и нейтронов с веществом. Полученные экспериментальные результаты позволили советским ученым через несколько лет решить проблему мирного использования атомной энергии. Пуск в 1954 году в Обнинске первой в мире атомной электростанции открыл новую эру в развитии энергетики.

В апреле 1957 года в подмосковном городе Дубна в Объединенном институте ядерных исследований был запущен новый ускоритель — синхрофазотрон, «производящий» протоны с энергией до 10 миллиардов электрон-вольт.

Ни в одной другой лаборатории мира еще не получали тогда частиц столь большой энергии. Ученым социалистических стран удалось проникнуть еще глубже в тайну строения материи. На этом ускорителе было открыто несколько новых элементарных частиц, в том числе одна из семейства гиперонов: анти-сигма-минус-гиперон.

Все частицы могут рождаться при столкновении любых двух частиц, например протонов большой энергии с атомными ядрами. А где все это происходит — в космосе ли, на границе ли с атмосферой Земли или в мишени ускорителя — не имеет принципиального значения. Правда, космические протоны обладают намного большей энергией, чем протоны, разогнанные на самых мощных ускорителях. Зато насколько удобнее работать с лабораторными пучками пи-мезонов, чем отлавливать их в космических лучах.