Вселенная в электроне

— Этого и следовало ожидать, — смеялись в зале, — сработал «эффект Паули»!

Четверть века физики вынуждены были мириться с тем, что в их рассуждениях и расчетах присутствует невидимка. Поймали ее в опытах, выполненных уже после второй мировой войны, когда появились мощные источники нейтрино — атомные реакторы.

Пока шла война, физикам было не до частиц. Они разрабатывали радары, аппаратуру для обнаружения вражеских подводных лодок, занимались атомным оружием и массой других неотложных дел. Но после войны в различных странах — в Советском Союзе, Западной Европе, в США — стали один за другим создавать мощные ускорители, способные разгонять протоны и электроны до гигантских энергией. Ускоренные частицы дробили атомные ядра, и среди осколков физики то и дело находили «золотые крупинки» новых, неизвестных дотоле частиц.

Брызги материи! Некоторые из них обладали настолько неожиданными свойствами, что пришлось учредить особую категорию «странных частиц». Сегодня многие из них хорошо изучены и уже не выглядят странными, но это название к ним прочно прилипло, как прилипает иногда к человеку смешная детская кличка.

А далее открытия посыпались, как из рога изобилия. Редкий месяц не приносил какой-либо новой частицы. Открывая очередной номер физического журнала, можно было с уверенностью сказать, что там речь идет еще об одной частице. Теперь частиц несколько сотен. Для их обозначения давно уже не хватает ни греческого, ни латинского алфавитов. Некоторые частицы известны просто под номерами: А1, А2 и так далее. Даже специалисты толком не знают, сколько открыто частиц, — много!

В Калифорнии группа физиков-экспертов собирает, проверяет и анализирует все сообщения об открытии новых частиц. Это очень важная и нужная работа, так как иногда случается, что частицу открывают одновременно в нескольких институтах. Ее измеренные в опыте параметры чуть-чуть различаются, она получает разные названия, и возникает путаница. Эксперты составляют сводку всех частиц — достоверно открытых и тех, относительно которых остаются еще некоторые сомнения. Это толстенькая брошюра в несколько десятков страниц.

И вот что важно: если не считать частиц-кирпичиков протона, нейтрона и электрона, то перечисленных в этой брошюре частиц нет ни внутри ядра, ни в атоме. Они каждый раз заново рождаются в ядерных реакциях. Пословица говорит: лес рубят — щепки летят. Но щепки — это кусочки того, что уже было. Частицы же, как искры при ударе топора о металл, образуются в процессах столкновений.

В древнем мифе рассказывается о рождении богини Афродиты из морской пены. Неистовый ветер ударил волну о берег, и из вспыхнувшей радуги брызг и белой шипящей пены ступила на берег богиня красоты. Рождение частиц происходит не менее эффектно, но не из пены, а из энергии, точнее, из массы, связанной с энергией. Движущаяся частица весит больше неподвижной, поскольку кинетическая энергия движения тоже имеет массу. За счет этой массы и образуются новые частицы.

Большие ускорители как раз и создаются для того, чтобы разгонять частицы до такой скорости, чтобы их энергии было достаточно для рождения новых.

Электроны, протоны, мезоны и другие частицы принято называть элементарными. Если атомы и их ядра можно разделить на более простые части, то с элементарными частицами это не удается. В любых известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга — взаимопревращаются. Если в одной реакции, например, при распаде родились более легкие частицы, то в другой, наоборот, образуются тяжелые. Никаких более простых «кусков» от частиц не отщепляется. В то же время из них, как из кирпичиков конструктора, можно построить весь окружающий мир во всей его красоте и разнообразии.

Ступень элементарных частиц необычайно богата своим содержанием. Каких только здесь нет пород, гибридов и монстров! Некоторые из них следует рассмотреть поближе.

Зоопарк в микромире

Представим себе, что мы гуляем в таком зоопарке. Слева небольшая аллея лептонов с клетками легких частиц, справа длиннющая, уходящая за горизонт аллея со множеством загонов для массивных частиц-адронов. (Снова греческие корни: «лепто» — легкий, мелкий и «адро» — тяжелый, крупный.)

Ряд адронов начинается с наших знакомцев — протона и нейтрона. Они настолько похожи по своим свойствам, что физики считают их двумя состояниями одной и той же частицы — нуклона. Когда у нуклона нет электрического заряда — это нейтрон, если же в результате каких-то взаимодействий он получит заряд — это будет уже протон.

Можно сказать, что у нуклона два лица — одно протонное, другое — нейтронное. Если прибегнуть к другой аналогии, то нуклон можно уподобить электрической лампочке. Когда она горит — это протон, выключена — нейтрон. Аналогия, конечно, далекая, но, в общем-то, правильная. И если уж следовать ей, то. пи-мезон придется сравнить с электрической лампочкой, имеющей три состояния: когда она горит красным светом — это мезон с положительным электрическим зарядом, если потушена — нейтральный мезон, а когда светит синим светом — это мезон с отрицательным зарядом. Пи-мезон — частица с тремя лицами. В заряженном состоянии она живет около стомиллионной доли секунды и распадается на мю-мезон и нейтрино. В нейтральном состоянии время ее жизни еще намного — в сто миллионов раз — меньше. Она почти мгновенно распадается на два высокоэнергетических фотона.

Рядом стоит клетка с ρ (ро)-мезоном. Он во всем похож на пи-мезон, тоже имеет три лица, только впятеро тяжелее и, кроме того, быстро вращается. Движется и вращается, как бы навинчивается на свою траекторию. Вот только живет ро-мезон очень мало, ничтожный миг — около 10-23 секунд. Это десятичная дробь с двадцатью двумя нулями после запятой. Распадаясь, ро-мезон превращается в два быстрых пи-мезона.

Недалеко от пи- и ро- мезонов помещается ω (омега)-мезон. Это нейтральная частица с массой, как у ро-мезона, и вдесятеро большим временем жизни. Она тоже — маленький вращающийся волчок. Распадается на три пи-мезона, которые с большой скоростью разлетаются в разные стороны.

С тройкой мезонов, обозначаемых греческими буквами π, ρ и ω, мы еще встретимся. Они играют важную роль в жизни протона и нейтрона.

Далее идут «странные частицы». Все они короткоживущие. Некоторые похожи на нуклон, их называют гиперонами. Другие — «странные мезоны». Когда эти частицы обнаружили, физики были удивлены тем, что они всегда рождаются парами, как будто не могут жить друг без друга. Поэтому их и назвали «частицами со странностью». Впрочем, вскоре нашлись еще более удивительные частицы, которые тоже рождаются парами. Их появление и «черты характера» были предсказаны теоретиками, и, когда их открыли, теоретики были так рады, что назвали их «прелестными».

Вслед за площадкой «прелестных частиц» мы видим множество загонов и клеток с очень тяжелыми адронами. В сравнении с нуклоном некоторые из них выглядят как бегемоты рядом с поросенком. Большинство из них такие неповоротливые, что, едва успев родиться, тут же на месте распадаются на более легкие частицы. Время жизни наименее устойчивых изображается десятичной дробью с более чем двумя десятками нулей после запятой. Оставим их пока в покое — все равно всех их не осмотреть — и перейдем на противоположную сторону аллеи. Там расположены античастицы.

Первой античастицей, с которой познакомились физики, был позитрон. Когда он сталкивается с электроном, вещество обеих частиц полностью переходит в излучение — в фотоны. Происходит аннигиляция — уничтожение. Такие полярные, взаимоуничтожающиеся частицы стали называть частицей и античастицей. Так в науку вошла идея антивещества.