Пол Хэлперн - Коллайдер

Заменив электрический заряд ядерным, а фотоны - мезонами (массивными бозонами), Юкава нашел способ описать компактное, почти точечное взаимодействие между нуклонами. Стало понятно, почему ядерным силам удается крепко-накрепко зацементировать ядро, хотя за его пределами они мгновенно ослабевают. Для этого механизма нужна была самая малость: новая, никому не известная частица. Но если гипотетический позитрон Дирака в конце концов нашли, чем мезон хуже?

Однако природа иногда играет с нами злые шутки. В 1936 г. Карл Андерсон в потоке космических лучей заметил странную частицу. Магнитное поле отклоняло ее слабее, чем протоны, но сильнее, чем электроны с позитронами, а значит, ее масса лежала где-то посередине. У Андерсона незнакомка получилась в двести с небольшим раз тяжелее электрона. Все указывало на то, что заветная мечта физиков-ядерщиков исполнилась. Масса новой частицы хорошо согласовывалась с оценками Юкавы, дававшими массу переносчика сильного взаимодействия, и физики склонны были верить, что и вправду нашли недостающее звено.

Как бы то ни было, сходство между космическим пришельцем и гипотетической частицей Юкавы оказалось чисто случайным. Дальнейшие эксперименты показали, что новая частица совпадает с электроном по всем параметрам, кроме массы. То есть она к тому же лептон, а лептоны, в отличие от адронов - частиц, ощущающих на себе ядерные силы, - вообще не участвуют в сильных взаимодействиях. (Названия «лептон» и «адрон» - на греческом, соответственно, «легкий» и «тяжелый» - не всегда себя оправдывают: лептоны бывают тяжелее адронов.) Найденную Андерсоном частицу потом окрестили мюоном, чтобы не путать ее с частицей-переносчиком Юкавы. «Ну и кто его приглашал?» - таким риторическим вопросом физик Исидор А. Раби отреагировал на открытие мюона, не подходившего ни под одну из существовавших тогда теорий и казавшегося в научном мире незваным гостем.

Настоящих мезонов пришлось ждать больше десяти лет. В этот период не так уж много физиков-ядерщиков занимались чистой наукой - в войну они себе такую роскошь позволить не могли. Но когда пришел мир, исследования в физике элементарных частиц возобновились с новой силой.

В 1947 г. группа ученых под руководством Сесила Пауэлла из Бристольского университета (Англия) впервые различила треки мезона среди следов космических лучей на фотопластинке. Пауэлл родился 5 декабря 1903 г. в английском Тонбридже (графство Кент). Детство у него было трудное. Его дед, оружейный мастер, однажды по роковой случайности выстрелом лишил человека зрения. Последовал иск, а за ним банкротство. Отец Пауэлла попробовал возродить семейное дело, но с входившими в строй конвейерами конкурировать было бесполезно.

Сам Пауэлл, к счастью, выбрал себе другое поприще. Получив в 1921 г. в Кембридже стипендию, он поговорил с Резерфордом и попросился в кавендишскую группу аспирантом. Резерфорд принял его и в научные руководители к нему назначил Вильсона. Вскоре Пауэлл уже без труда собирал камеры Вильсона и с их помощью регистрировал частицы.

В середине 1930-х гг. Пауэлл вслед за Кокрофтом и Уолтоном построил собственный ускоритель и стал рьяно изучать столкновения между высокоэнергетичными протонами и нейтронами. К тому времени он уже обитал в Бристоле. Осколки столкновений Пауэлл сначала отслеживал в камерах Вильсона, но потом увидел, что особая фотоэмульсия (покрытый солями йода бромид серебра) дает более качественные изображения. На обработанных химическим раствором пластинках, которые Пауэлл ставил на пути потоков частиц, все распады оставляли след в виде черной «звездочки» на прозрачном фоне. Звездочка давала наглядную картину столкновения. А длина треков на фотопластинке позволяла достоверно судить об энергии осколков: ее недостаток указывал на присутствие контрабандистов вроде нейтрино, норовящих утащить с собой часть энергии.

В 1945 г к бристольской группе присоединился итальянский физик Джузеппе Оккиалини, а через год вызвал к себе одного из своих лучших учеников Сезара Латтеса. Вместе с Пауэллом они пошли на многое, чтобы распутать тайны космических лучей. Они брали тщательно завернутые фотопластинки и поднимались с ними на головокружительные высоты, в том числе во французских Пиренеях, куда их доставлял самолет Королевских ВВС Великобритании. Там ученые подставляли пластинки под напор небесных пришельцев, а потом с безмерным удивлением смотрели на замысловатую паутину высеченных частицами штрихов - воистину генеалогическое древо субатомных рождений, жизней и смертей.

Пауэлл потом вспоминал: «Когда мы привезли их [фотопластинки] в Бристоль и проявили, мы со всей очевидностью увидели: перед нами открывается новый, неизведанный мир. После проявки в следе от медленного протона выступило столько зерен, что он напоминал серебряный жезл, а крошечный участок эмульсии под микроскопом кишел осколками от столкновений частиц, которые по энергии значительно превосходили все то, что тогда удавалось получить искусственным путем. Было такое ощущение, будто мы вторглись в крытую оранжерею, где под защитой крепких стен нежатся деревья, усыпанные наливающимися соком экзотическими фруктами» 44.

Среди всего этого разнообразия внимание ученых привлекла одна частица средних размеров, которая останавливалась и превращалась в другую. Словно обычный мюон появлялся из чуть более тяжелой разновидности. Однако к тому времени из ряда экспериментов было хорошо известно, что, распадаясь, мюон рождает электроны, но никак не другие мюоны. Поэтому экспериментаторы заключили, что родительская частица должна иметь иное происхождение. Авторы открытия дали ей имя «пи-мезон» (коротко его теперь называют просто пионом). Именно его вскоре отождествили с предсказанным Юкавой переносчиком ядерных сил.

Примерно в это же время Джордж Рочестер из Манчестерского университета на изображениях, полученных в камере Вильсона, обнаружил более тяжелую разновидность мезона, нейтральный каон. В его распаде, оставляющем след в форме буквы V, рождается два пиона: положительно и отрицательно заряженный. Физикам не составило труда понять, что пионы и каоны бывают трех типов: положительные, отрицательные и нейтральные, причем нейтральные каоны сами делятся на два класса с разным временем жизни.

Открытие мезонов имело настолько большое значение, что Нобелевская премия прилетела в руки к Пауэллу со скоростью света - в 1950 г., всего три года спустя. А Оккиалини в 1979 г. была присуждена еще одна престижная награда, Премия Вольфа. Вторым лауреатом в том же году стал Георг Уленбек.

Достижение бристольских ученых ознаменовало собой расцвет эпохи Кавендиша в экспериментальной физике элементарных частиц. А подавляющим большинством результатов, полученных с 1950 по 1970 г., мы обязаны американским ускорителям, особенно потомкам лоуренсовского циклотрона. Итогом бурного периода экспериментов стало осознание того, что «оранжерея элементарных частиц» и правда изобилует причудливыми фруктами.