Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

По перепутанным следам зверей на заснеженной поляне опытный охотник воссоздает картину борьбы не на жизнь, а на смерть, полную динамизма и ярости. Линии, прорисованные в эмульсии следами (треками) заряженных частиц, полны движения для рассматривающего их физика и говорят об интересных событиях в микромире.

На картине, застывшей в поле зрения микроскопа, наметанный глаз легко различает тонкий непрерывный след космической частицы большой энергии, угодившей прямо в тяжелое ядро вещества эмульсии. Подобно молнии, которая шутя расщепляет ствол дерева-великана, она раскалывает ядро, из которого высыпаются частицы.

Глаз видит как бы звезду, характерный признак взрыва ядра: из одной точки эмульсии расходятся сразу несколько лучей — треков заряженных частиц.

Польские физики при просмотре облученных в космических лучах фотоэмульсий заметили, что в некоторых звездах среди прочих лучей встречается один совершенно необычный. Необычность следа не в том, что толщина его менялась по мере удаления от центра, а совсем в другом. Характер трека не оставлял сомнений в том, что этот осколок вдребезги разлетевшегося тяжелого ядра эмульсии являлся ядром какого-то легкого элемента. Непонятным было его дальнейшее поведение.

Обычно, быстро обрастая электронами, заряженное ядро все меньше ионизировало вещество эмульсии, а, превратившись в нейтральный атом, окончательно «заметало» свой след. В редких же случаях это ядро тоже взрывалось, образуя небольшую вторичную звезду.

Физики были чрезвычайно удивлены тем, что, казалось бы, ни с того ни с сего легкое ядро испытывало катастрофу, да еще буквально в двух шагах от первого. Создавалось впечатление, будто ядро-осколок содержало в себе бомбу замедленного действия.

Бесстрастный свидетель — фотоэмульсия — объективно зафиксировал все детали этого события. По толщине следов, по их длине можно было узнать, какие частицы и с какой энергией вылетели при взрыве легкого ядра. Проще всего было предположить, что вторая звезда — это результат взрыва осколка, «перегретого» в момент образования. Но в таком случае он никак не мог бы иметь столь длинный пробег в эмульсии и столь долгое время жизни — порядка 10 –12секунды!

Проведя анализ этого странного события, М. Даныш и Е. Пневский сообщили об открытии первого гиперядра — необычного «гибрида» атомного ядра и нестабильного тяжелого лямбда-гиперона.

Нейтральный лямбда-гиперон рождался в момент удара космической частицы о первое ядро и незаметно для протонов и нейтронов приживался в ядре-осколке. Через 10 –12секунды нестабильный гиперон распадался, на протон и пи-мезон с отрицательным электрическим зарядом. Эти, а также вторичные частицы, выбиваемые ими из ядра, и прочерчивали в эмульсии лучи второй звезды.

Гиперядро представляет собой уникальную возможность для физиков наблюдать, как довольно долгое время (по сравнению с ядерным) посторонняя сильно взаимодействующая частица сосуществует с обычными протонами и нейтронами. В этом сосуществовании все странно и многое непонятно до сих пор. Не без странностей и сама непрошеная ядерная квартирантка. Ученые так и называют гипероны «странными» частицами. Рождаясь и исчезая в сильных взаимодействиях, гипероны как-то умудряются просуществовать гораздо дольше положенного им, законного мгновения ядерного времени, равного 10 –22секунды.

Странно и другое. С одной стороны, нейтроны и протоны как будто не замечают присутствия в ядерном веществе гиперона, словно он для них невидимка. Но, с другой стороны, эта частица легко приживается в ядре только благодаря тому счастливому обстоятельству, что между гипероном и нуклонами действуют обычные мощные силы ядерного притяжения. Так можно ли говорить о том, что нейтральный лямбда-гиперон попадает в ядро никем не замеченный?

По-видимому, по обоюдному соглашению квартирантка получает все права, какие имеют и постоянные жильцы: ее энергия связи приблизительно такой же величины, что и у других нуклонов. Но в то же время эта частица ловко увиливает от выполнения некоторых правил внутреннего ядерного распорядка.

Один гиперон в ядре не подчиняется принципу запрета Паули, как и одна квантовая пуля в броне или один мю-мезон в ядре. «Это колоссальное преимущество для проверки наших представлений о структуре ядра», — сказал профессор Е. Пневский.

Ученые считают, что наиболее перспективны именно те исследования, в которых изучаются ядра, находящиеся в условиях, отличающихся от стандартных. Сравнение таких свойств гиперядер, как время жизни, возможные квантовые состояния и другие, с такими же свойствами обычных ядер даст богатую информацию и о ядерных силах, и о новых сторонах в строении ядра.

Но физика гиперядер не могла развиваться до тех пор, пока в качестве основного источника гиперонов использовались космические лучи. Слишком редки были случаи рождения гиперядер. Сейчас их создают на мощных ускорителях протонов в пучках отрицательно заряженных К-мезонов. В реакции, которую в 1963 году предложил для получения гиперядер советский ученый профессор М. Подгорецкий, тяжелый К-мезон, сталкиваясь с ядром мишени, захватывается одним из его нейтронов. При этом рождается нейтральный лямбда-гиперон, который приживается в ядре, и пи-мезон. Эта ядерная реакция в основном и штампует гиперядра по сей день.

Известно уже около двадцати таких необычных ядер. Но в результате систематических исследований, к которым приступили ученые во многих известных лабораториях, наверняка будут открыты новые группы подобных ядер с совершенно новыми свойствами.

А пока о гиперядерной физике приходится говорить, оперируя в основном глаголами будущего времени. Это одна из быстро развивающихся, интереснейших областей науки микромира, у которой, правда, гораздо больше потенциальных возможностей, нежели реальных достижений. И все же экспериментаторы уже обнаружили несколько гиперядер, которые содержат не один нейтральный лямбда-гиперон, а целых два. Но и это не предел. Теоретики предсказывают, что на вновь строящихся ускорителях, так называемых нуклотронах, разгоняющих до высоких энергий атомные ядра, можно будет получать экзотические ядра с еще большим числом гиперонов. Такие сверхстранные ядра должны быть более плотными, поскольку при добавлении к ним лямбда-гиперонов их радиусы тем не менее не увеличиваются. Исследование такого необычного ядерного вещества интересно и само по себе, и с точки зрения астрофизики.

Советские астрономы В. Амбарцумян и Т. Саакян еще в 1960 году выдвинули гипотезу о существовании особой формы звездного вещества — вещества, содержащего, кроме нуклонов, еще и гипероны.