Страница 25 из 51
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…
«…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 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.