способность. Оценка, которой пользовался В. Паули в своем знаменитом письме
в Тюбинген, означала, что нейтрино должно свободно прошивать примерно
10-сантиметровую свинцовую пластинку. Впоследствии он любил приводить такой
наглядный пример: нейтрино может "не заметить" и свинцовой стены толщиной в
100 световых лет.
Пример, конечно, не столько наглядный, сколько сногсшибательный.
Посудите сами: световой год - это расстояние, которое способен пройти свет в
пустоте за один земной год. Скорость света составляет примерно 3.1010
сантиметров в секунду, а год длится 3,16.107 секунд (кстати, удобнейшая
приближенная формула для запоминания: п .107 секунд, где п - обычное
школьное "пи"!), то есть один световой год равен 1018 сантиметров, а 100
световых лет соответственно равны 1020 сантиметров. Это на 10(!) порядков
превышает радиус Солнца и примерно в три раза радиус ядра нашей Галактики.
Отсюда ясно, по крайней мере, одно: нейтрино способно приносить информацию
из таких уголков вселенной, откуда ни одна другая частица не выберется
"живьем".
Разумеется, о проникающей способности говорят лишь в среднем, то есть
каждое отдельное нейтрино может застрять в первом же миллиметре вашего
письменного стола, а может и проскочить всю вселенную. Просто оба эти
события маловероятны. Рассуждая о гигантской космической преграде, имеют в
виду, что вероятность застревания нейтрино при наличии более толстой
преграды, скажем, свинцовой стены толщиной более 100 световых лет, весьма
велика. В общем, здесь все происходит по правилам квантовой механики:
запустив на какую-либо мишень достаточно интенсивный пучок нейтрино, мы
вскоре обнаружим редкие события его столкновений с частицами вещества. Но
именно в этом и скрывались основные трудности в постановке решающего опыта -
нужен был действительно мощный поток нейтрино.
Необходимый поток антиподов нейтрино - антинейтрино достигался на
некоторых ядерных реакторах, и благодаря этому американские физики сумели
зарегистрировать реакцию такого типа: антинейтрино налетает на протон, они
взаимодействуют, и в результате возникают нейтрон и позитрон. Это открытие
состоялось в 1956 году. В 1962 году был обнаружен другой тип нейтрино, так
называемое мюонное нейтрино, возникающее при распаде уже встречавшегося нам
мю-мезона. Таким образом, "дублер" появляется не только у электрона (мюон!),
но и у электронного нейтрино (мюонное нейтрино).
А теперь обсудим вторую нерешенную задачку, где в ответе появится
пи-мезон - частица с едва ли не прямо противоположными свойствами, для
которой буквально каждый сантиметр вещества таит смертельную опасность. Эта
задачка возникла в связи с уже упоминавшейся неприятностью - в красивой
картине протон-нейтронной модели ядра не хватало одной "мелкой детали" -
неясно было, что же удерживает рядом протоны и нейтроны, почему одноименно
заряженные протоны не разлетаются в разные стороны.
В разрешении данной загадки значительную роль сыграла небольшая заметка
советского физика-теоретика И. Тамма, опубликованная в журнале "Нэйче"
("Природа") в 1934 году. Он предположил, что силы, действующие между
протонами и нейтронами, обусловлены обменом парами квантов электронного и
нейтринного полей. Эта идея следовала из аналогии с картиной взаимодействия
электрических зарядов, например, электронов которые обменивались между собой
фотоном. По замыслу И. Тамма, электрон-нейтринные пары, должны были
"замещать" фотоны в задаче о взаимодействии протонов и нейтронов.
Разумеется, теперь речь шла не об электрических, а о каких-то особых
"ядерных зарядах". Силу взаимодействия между протонами и нейтронами можно
было оценить непосредственно, исходя из теории Ферми, по той интенсивности,
с которой нейтрон испускает электрон и антинейтрино, превращаясь при этом в
протон. Но оказалось, что такое взаимодействие слишком слабо для поддержания
стабильности атомных ядер! Однако идея И.Тамма проложила дорогу решению
проблемы ядерных сил. Физикам стало ясно, что непосредственно применять
готовые модели электромагнитных или слабых взаимодействий нельзя, -
соответствующие силы просто не смогут склеить протоны и нейтроны в ядре. Но
в ограниченном виде аналогия с электродинамикой - там, где речь шла о
некоторых обменных частицах - была вовсе не плоха. Именно из этого исходил
двадцативосьмилетний физик-теоретик из Осакского университета X. Юкава,
приступая к анализу природы новых сил, действующих в ядре. В 1935 году
появилась его знаменитая статья, где была сформулирована гипотеза о
существовании новых частиц - переносчиков взаимодействия между протонами и
нейтронами, - квантах некоторого особого ядерного поля, наподобие фотонов,
которые, как вы помните, являются квантами электромагнитного поля.
Основываясь на известных ему оценках радиуса действия ядерных сил, X. Юкава
рассчитал массу такой частицы, она должна была примерно в 200 раз превышать
массу электрона. Величину "ядерного заряда" теперь уже можно было выбирать,
не ограничиваясь теорией Ферми, а опираясь непосредственно на
экспериментальные данные по взаимодействию протонов и нейтронов. Оказалось,
что силы, действующие между ними, примерно в тысячу раз интенсивней
электромагнитных. В результате получилась весьма неплохая модель устройства
ядра, но, как это нередко встречается, сам автор воспринял ее излишне
пессимистически - в конце статьи он указал, что придуманная им теория,
по-видимому, неверна, поскольку... придуманную им частицу никто
экспериментально не обнаруживал.
А судьба гипотезы о юкавских переносчиках взаимодействия между
протонами и нейтронами, этих тяжелых квантах ядерного взаимодействия,
оказалась и впрямь не очень простой. Начать с того, что уже в 1934 году
первооткрыватель позитрона Ч. Андерсон со своим сотрудником С. Неддермейером
обнаружили, что некоторые следы в камере Вильсона соответствуют частицам со
значениями масс много больше электронной и много меньше протонной. Но X.
Юкава ничего не знал об этих результатах! Официальное "открытие" новых
частиц состоялось только в 1937 году, когда в одном и том же томе
американского журнала "Физикал ревью" ("Физическое обозрение") появились
сообщения сразу двух групп, изучавших следы космических лучей. Юкавское
значение массы оправдывалось с поразительной точностью!
Эти работы явились вполне достойным "открытием" новых объектов -
мезонов, а кавычки для слова "открытие" использованы по той простой причине,
что "американские мезоны" не имели непосредственного отношения к "японским
предсказаниям" - это были уже упоминавшиеся мю-мезоны, дублеры электрона по
микромиру. Впрочем, первоначально никаких особых подозрений в несоответствии
предсказанных и открытых частиц не возникало. Лишь постепенно, в течение
десяти лет, выяснилось, что такие частицы не обладают ядерной активностью и
взаимодействуют с ядрами только благодаря наличию электрических зарядов.
Такие неприятные неувязки были окончательно осознаны к 1947 году, и не
исключено, что в судьбе гипотетических тяжелых квантов Юкавы произошли бы
трагические события, если бы... они не были именно в этом году открыты
"всамделишно".
Особо важную роль в благополучном исходе поисков сыграли новые,
чрезвычайно чувствительные фотопластинки, вовремя попавшие в руки к
исследователям космических лучей. Благодаря чудо-пластинкам группа С.
Пауэлла обнаружила, что наряду с мю-мезонами появляется некоторое количество
частиц с близким значением массы, но способных к расщеплению атомных ядер.
Так юкавские кванты, названные в отличие от мю-мезонов пи-мезонами, получили
права полноправных граждан микромира. Не остались в тени и их открыватели:
X. Юкава был удостоен Нобелевской премии в 1949 году, а С. Пауэлл - ровно
через год.
Теперь, я думаю, ясно, почему примерно к 1937 году - отчасти по
"святому неведению", отчасти по "стремлению к покою душевному" - у физиков
создалось довольно радужное настроение по поводу того, как же лепо и пригоже
устроен этот микромир. Все при деле, и все на своих местах. Две новые
частицы - мезон и нейтрино - вполне оправдывают свое существование: с ними в
физику вошло представление о двух новых типах взаимодействия - слабом и
сильном. Похоже было, что экспериментаторы выполнили свой долг наилучшим
образом. Теперь дело за теоретиками, за созданием хорошей количественной
теории наблюдаемых явлений
К моменту, когда настоящий юкавский квант - пи-мезон - обнаружился в
составе космических лучей, а еще через год был зарегистрирован на циклотроне
Берклиевской радиационной лаборатории, могло сложиться впечатление, что все
главные действующие лица микромира уже найдены. Но вот тут-то на горизонте и
замаячили крупные неурядицы.
Житейская мудрость предлагает по поводу таких ситуаций внешне
парадоксальную поговорку: когда слишком хорошо - значит, плохо! В данном
случае все оказалось не то чтобы "плоше", но сложней и интересней.
Уже в 1944 году французские физики Л. Ле-Принс Ренгуэ и М Лэритье
зарегистрировали любопытный след космической частицы, обладающей массой
порядка 500 МэВ. Через три года сотрудники Манчестерского университета Дж.
Рочестер и Ч. Батлер обнаружили два события: какие-то частицы распадались на
лету, и возникала своеобразная вилка следов, напоминающая по форме латинскую
букву V. Начались интенсивные поиски новых событий такого же типа, а вскоре
стало ясно, что открыт целый новый класс, точнее, даже два класса
элементарных частиц, и первоначально их так и назвали: V-частицы. Некоторые
из них оказались массивней протона, а другие - легче его; и эти, более
легкие, явно принадлежали к мезонам.
V-частицы вели себя довольно странно - они рождались с большой
интенсивностью в результате сильных взаимодействий, а распадались на
пи-мезоны и протоны или только на пи-мезоны (опять-таки на
сильновзаимодействующие частицы - адроны!) с гораздо меньшей интенсивностью.
Получалось так, что рождением и распадом V-частиц "управляют" различные
силы, и распад происходит в результате слабых взаимодействий. В этом-то и
состояло противоречие с известными законами физики, раз частицы способны
участвовать в сильных взаимодействиях, то и распадаться на адроны они должны
были бы за счет тех же сильных взаимодействий! Поскольку этого не
наблюдалось, физики предположили, что рождение V-частиц происходит несколько
необычным образом - они действительно образуются в процессах сильных
взаимодействий, но лишь в строго определенных комбинациях, скажем, попарно,
а распадаются поодиночке и уже за счет слабых взаимодействий. Впоследствии
именно это свойство V-частиц - рождаться в строго определенных комбинациях -
было подтверждено экспериментами и расценено как странная черта в их
поведении. Например, у пи-мезонов аналогичной странности не наблюдалось -
они рождались тоже с гораздо большей интенсивностью, чем распадались, но
ведь распадались-то пи-мезоны не на адроны, а на частицы, не участвующие в
сильных взаимодействиях!
Летом 1953 года во французском городке Банье-де-Бигор была созвана
конференция по физике космических лучей Она имела вполне определенную цель -
навести порядок в семействе недавно открытых частиц, дать конкретные
рекомендации для составления подробной таблицы элементарных "кирпичиков
мироздания".
Конечно, новое всегда интересно и притягательно, но физики могли с
легким налетом грусти отметить - частиц стало много, слишком много, чтобы
все они в равной мере оставались настоящими "кирпичиками". Вероятно,
создавшееся в связи с этим элегическое настроение способствовало одобрению
прилагательного "странные"
в качестве определения (официального обозначения!) тех частиц, которые вели
себя своенравно, и заставляли ученых искать какие-то необычные правила
реакций. "Странные" мезоны были названы ка-мезонами, а "странные" частицы
тяжелее протона и нейтрона - гиперонами. Протон, нейтрон и гипероны получили
также и общее название - барионы (от "барос" - тяжелый).
В 1960 году на Международной конференции по физике высоких энергий
демонстрировалась подробная таблица элементарных частиц и их основных
свойств. Она занимала целую страницу стандартного книжного формата и
включала целых 30 частиц и античастиц!
Первым, в гордом одиночестве стоял герой квантовых сражений фотон.
Далее выделился особый класс лептонов (от "лептос" - легкий), куда вошли
электрон, мюон, нейтрино и их античастицы. Из ядерно-активных частиц были
известны 3 пи-мезона и 4 ка-мезона, а также протон, нейтрон, их античастицы
и 6 гиперонов (один лямбда-гиперон, 3 сигма-гиперона и 2 кси) со своими
антигиперонами.
Вот какая сложная "зоология" была наведена в микромире около 20 лет
назад.
Запомнить такую "огромную" таблицу было намного сложней, чем две-три
частицы "старых добрых времен".
Казалось, что конец 40-х и 50-е годы принесли настоящее половодье
открытий - 20 новых частиц: мезонов и гиперонов, да еще и нейтрино. 23 из 30
частиц в приведенной таблице были ядерно-активны, причем 16 мезонов и
гиперонов считались "странными". Следовательно, сильные взаимодействия
обладают гораздо более сложными и разнообразными свойствами, чем могли себе
вообразить физики в "ядерные" 30-е годы.
Между тем размышления о половодье возникли буквально накануне
настоящего потопа, причем первые сигналы о надвигающейся "каре за иллюзии"
физики в некотором смысле прозевали...
АДРОННЫЙ ПОТОП
"...В шестисотый год жизни Ноевой, во второй месяц, в семнадцатый день
месяца, в сей день разверзлись все источники великой бездны, и окна небесные
отворились.
И лился на землю дождь сорок дней и сорок ночей..." Таковы строки библейской
сказки о "наказании господнем", ниспосланном за грехи рода человеческого.
Как известно, спасется лишь Ной - человек праведный и за то вовремя
осененный предупреждением свыше. Он построит громадный ковчег, соберет на
нем "всякой твари по паре" и причалит на нем к единственному кусочку
незатопленной тверди земной - вершине горы Арарат.
Сказка сказкой, но нечто подобное произошло и в микромире: был и потоп
открытий, и спасительный ковчег...
Масштабы событий, нахлынувших вскоре на физику элементарных частиц,
действительно огромны, и их источники хорошо известны.
Ускорители дождались наконец своего часа. Уже к концу 40-х годов их
возможности намного превзошли мечты создателей. Правда, хотя эпоха
естественных радиоактивных снарядов ушла в прошлое, принципиальные
результаты работ на ускорителях все еще плелись в хвосте у достижений физики
космических лучей. Благодаря огромному энергетическому диапазону "дара
небес" они позволяли широким фронтом вести поиск всевозможных необычных
событий. Поэтому к моменту заполнения 30-частичной таблицы космические лучи
оказались в положении фаворита.
Посудите сами, электрон и фотон были открыты с помощью катодных трубок;
нейтрон и протон - с помощью радиоактивных элементов; нейтрино открыли,
используя ядерный реактор. А вот мю-мезон, пи-мезоны, ка-мезоны, большинство
гиперонов обязаны своим появлением исследованиям "космиков" (так называют
среди физиков тех, кто занимается космическими лучами). Что могли показать
на этой выставке достижений ускорители? Подтверждения результатов, добытых
космиками? Но подтверждение, несмотря на всю полезность поговорки
"повторение - мать учения", остается всего лишь движением по проторенному
пути.
Неужели ускорители были обречены пожизненно на вторые роли?
Разумеется, нет! Просто они не могли конкурировать с космическими
лучами в той области, где были (до поры, до времени!) заведомо слабее. Зато
в систематическом изучении механизмов различных реакций ускорители имели уже
к началу 50-х годов неоспоримое преимущество Ведь за несколько часов работы
лабораторной установки можно было набрать тысячи и тысячи событий с
интересующими экспериментаторов характеристиками. В процессе таких
исследований и выяснилось, что таблица элементарных частиц, построенная
главным образом благодаря даровым источникам, не то что неполна, но
составляет на самом деле лишь малую часть настоящей таблицы.
Первые шаги на этом пути выглядели просто и скромно.
Весной 1951 года в Институте ядерных исследований при Чикагском
университете был запущен синхроциклотрон с энергией протонного пучка 450
миллионов электрон-вольт. С помощью этого прибора группа Э. Ферми приступила
к исследованию взаимодействия пи-мезонов с протонами. Пи-мезоны получались в
результате бомбардировки медных и бериллиевых мишеней, после чего пучки
положительно и отрицательно заряженных "ядерных квантов" выводились по
отдельности на специальную мишень из жидкого водорода. Далее, измерялось
ослабление пи-мезонных пучков: сцинтилляционные счетчики регистрировали
количество налетающих на мишень частиц, а также число частиц, прошедших
камеру-мишень без взаимодействия, и вычислялось отношение этих величин для
камеры, заполненной водородом, и камеры пустой. Разность отношений в двух
указанных ситуациях и определяла искомое ослабление.
Интуитивно ясно, что ослабление пучка зависит не только от силы
взаимодействия пи-мезонов с протонами (ядрами атомов водорода), но и от
плотности мишени. Поэтому для получения объективной характеристики самого
взаимодействия необходимо выражать результаты измерений в форме, не
зависящей от плотности. С этой целью обычно вводится удобная величина -
поперечное сечение взаимодействия, - измеряемая в единицах площади. Ее
Новинки >> Русской фантастики (по файлам) | Форумов | Фэндома | Книг