Страница 24 из 51
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!