Бег за бесконечностью - Александр Потупа

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 наглядный, хотя и несколько приближенный, смысл состоит в следующем: налетающая частица «видит перед собой» преграду, площадь которой и есть поперечное сечение; или по-другому: если укрепить монету перед стенкой и направить на стенку луч фонаря, то возникающая теневая картинка полностью определяется площадью поверхности монеты, и говорят, что сечение рассеяния света равно по порядку величины этой площади.

Измеряя сечение рассеяния положительных пи-мезонов на протонах, Э. Ферми и его сотрудники обратили внимание на странную закономерность: в интервале энергии пионов (так сокращенно называют пи-мезоны) от 56 до 136 МэВ сечение возрастало примерно в 15 раз, то есть вероятность взаимодействия становилась очень большой.

Буквально в тот же день, когда столь сильный рост был окончательно установлен, Э. Ферми ознакомился с текстом еще не опубликованной статьи молодого теоретика К. Бракнера. В этой статье высказывалось предположение, что в пион-протонном рассеянии может возникать своеобразный резонансный эффект — то есть подавляющая часть событий может происходить с образованием некоторого промежуточного состояния. Слова «подавляющая часть» означают, что некоторое промежуточное состояние образуется с очень большой вероятностью.

В своей статье, содержащей описание этих экспериментов, Э. Ферми отмечает, что природа «промежуточного состояния» неясна, а энергии Чикагского ускорителя слишком малы для изучения эффекта в более широком интервале. Между тем он и его сотрудники впервые наблюдали проявление совершенно новых «героев микромира» — резонансов.

Для понимания природы резонансов потребовалось еще примерно 8 лет интенсивных исследований в значительно более широком интервале энергий и с гораздо лучшей теоретической «вооруженностью». Но Э. Ферми уже не сумел разделить радость вступления в новую резонансно-адронную эру — 29 ноября 1954 года его не стало. А через три дня Комиссия по атомной энергии США наградила посмертно его — президента Американского физического общества, лауреата Нобелевской и многих других премий, члена ряда иностранных академий — еще одной премией, носящей его имя.

Открытие резонансного эффекта в пион-протонном рассеянии оказалось последней крупной экспериментальной работой Э. Ферми. Дальнейшая история прорыва в новую область микромира тесно связана с поисками более общей картины сильных взаимодействий, чем можно было получить в рамках юкавской модели. В сущности, основная идея X. Юкавы не отбрасывалась — барионы должны были по-прежнему взаимодействовать посредством мезонного обмена, но теперь уже речь шла о совершенно иных мезонах с несколько необычными свойствами.

К 1960 году различные гипотезы оформились в виде довольно ясного предсказания — следует искать новые частицы, способные распадаться на два или на три пиона. И в 1961 году почти одновременно были открыты ро- и омега-резонансы, которые вполне соответствовали бы предсказанным частицам, если бы… не отличались от обычных мезонов весьма забавным образом. Своенравие «ро» и «омега» состояло в том, что они принципиально не желали оставлять макроскопических следов.

Вот ведь какое дело! Представить себе существование обычной элементарной частицы не так-то просто: глаз или прибор регистрируют только достаточно масштабное явление среди атомов и молекул, вызванное «нарушителем спокойствия». А в данном случае никакого явления не видно, и резонанс приходится вычислять. Ни в одной лаборатории мира вам не покажут фотографии с красивым переплетением линий, где бы просматривался след нового объекта ро- или омега-резонанса. И тем не менее современная таблица элементарных частиц насчитывает более двухсот «главных взаимодействующих лиц», причем львиная доля приходится на эти самые резонансы. В чем же дело, нет ли тут каких-то неувязок? Можно ли ставить «невидимки» в один ряд с ранее известными частицами?

Прежде всего следует выяснить, не существует ли уважительной причины столь неуважительного отношения резонансов к традициям физической лаборатории. Среди частиц имеются различия не только по массам, но и по временам жизни. Из известных частиц абсолютно стабильны только четыре фотон, нейтрино, электрон и протон, которые в вакууме могут существовать сколь угодно долго. Остальные хозяева микромира — все мезоны и барионы, начиная с нейтрона, — в вакууме непременно распадаются. Время жизни нестабильных частиц весьма различно: например, у нейтрона оно превышает 15 минут, а заряженные пи-мезоны живут всего 2,6.10-8 секунды. Конечно, по нашим масштабам это невероятно маленький срок, но за такое время, двигаясь с околосветовой скоростью, пион успевает пролететь около 7,5 метра, то есть вполне достаточно для обычного фотографирования его в довольно большой камере. В этом смысле процесс распада можно считать медленным, происходящим как реакция со слабым взаимодействием.

Чем слабей взаимодействие, вызывающее распад, тем медленнее он происходит. Как мы помним, квантовая теория позволяет рассчитывать лишь вероятностные характеристики процессов. В данном случае обычно вычисляется вероятность перехода (например, пи-мезона в мюон и нейтрино) в единицу времени, а собственно временем жизни называется величина, обратная вероятности перехода. Понятно, что за счет слабых взаимодействий вероятности перехода получаются существенно меньшие, а, следовательно, и время жизни таких частиц большее. Скажем, родной брат заряженных пионов пи-ноль-мезон — может распадаться на два фотона только за счет электромагнитных взаимодействий, которые намного «сильнее слабых», и поэтому он живет недолго, в среднем 0,8.10–16 секунды.

Но по сравнению с резонансами и пи-ноль-мезон великий долгожитель. Если мы договоримся принять его краткий срок существования, его век жизни, за год, то в таком «микрокалендаре» резонанс живет всего несколько секунд, тогда как, например, мюон — около 20 миллиардов лет (примерно столько, сколько существует наблюдаемый участок вселенной в обычных годах)! В нормальной же шкале «ро» имеет время жизни порядка 10–23 секунды, и мюон — 2,2.10-б секунды, то есть резонанс должен распадаться на пионы за счет сильных взаимодействий. В этом его основная особенность. За столь малое время «ро» успевает пройти лишь микроскопическое расстояние порядка 10–13 сантиметра и, разумеется, не успевает оставить заметный макроскопический след. Поэтому его появление регистрируется не обычным путем, а особым образом.