Текст книги "Бег за бесконечностью"
Автор книги: Александр Потупа
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 16 страниц)
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 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.
Поскольку «ро» распадается на пару пионов, которые можно наблюдать непосредственно, то в какой-нибудь из реакций отбирают все события с рождением двух пи-мезонов и строят своеобразный график распределения по их суммарной массе. В этом распределении при массе примерно 773 МэВ должен наблюдаться максимум – горб кривой, – то есть основная часть событий концентрируется вблизи указанного значения. Однако распределение оказывается довольно широким – основание полученного «горба» составляет примерно 152 МэВ. Получив эти данные (для этого необходимо обработать сотни и сотни фотографий, содержащих пионные следы!), можно сделать вывод о том, что реакция образования пары пи-мезонов идет в два этапа: сначала рождается некая частица с массой 773 миллиона электрон-вольт, а потом она распадается на два пиона. Время жизни промежуточной частицы вычисляется простым делением постоянной Планка на ширину наблюдаемого «горба». Эта промежуточная частица и есть ро-резонанс, или ро-мезон.
В остальном «ро» ничем не отличается от обычных частиц-долгожителей и обладает всеми нормальными свойствами мезонов. Например, резонанс ро-мезон может быть заряжен положительно, или отрицательно, или быть нейтральным.
Резонанс омега-мезон имеет немного большую массу, но ширина соответствующего ему «горба» примерно в 15 раз меньше, то есть он живет в 15 раз дольше. Известны и более «узкие» резонансы, но все равно их времени жизни не хватает для непосредственной регистрации.
В сущности, физики столкнулись с самым настоящим резонансным явлением, известным и во многих других разделах науки. В воинской практике издавна существует железное правило: если колонна солдат вступает на мост, немедленно прекращается маршировка «в ногу», ибо парадное шествие может обойтись (и много раз обходилось!) очень дорого – всякий мост имеет привычку немного раскачиваться в такт движению, но, пока толчки ног случайны, размах колебаний невелик, а стоит общим усилием попасть на «любимую частоту» моста, и он не выдержит – рухнет. Если изобразить размах колебаний (амплитуду, говоря научным слогом) как функцию частоты, то в графике вблизи «любимой частоты» моста возникает резкий максимум. Здесь колебания могут стать столь сильными, что вся конструкция не выдержит и развалится. Таково типично механическое проявление резонанса.
С подобным явлением постоянно встречаются и при изучении электрических цепей. Каждый день, настраивая приемник на любимую станцию, вы регулируете специальный контур до тех пор, пока он не «попадает в резонанс» – начинает пропускать радиоволны определенной частоты, на которой и ведется передача со станции.
Ясно, что, меняя размеры моста и материалы, из которых он сделан, или применяя несколько иные радиодетали, мы можем в обоих случаях создать резонансные эффекты при совсем иных частотах. В случае адронных резонансов мы не вольны в своих возможностях – резонансный эффект наступает при определенных энергиях, и обнаруженные значения масс и времен жизни являются характерными и устойчивыми параметрами микромира. В этом смысле резонансы можно рассматривать как полноценные частицы наравне с долгоживущими.
Что же касается позиции экспериментатора, то тут, очевидно, все дело в определенной договоренности. В древние времена частицей могли считать объект, который можно видеть или осязать. Но видеть невооруженным глазом одно, разглядеть с помощью специального прибора – несколько другое. Применение телескопа и микроскопа Г. Галилеем привело к огромному сдвигу в научном постижении мира; но потребовалось немало времени, прежде чем люди осознали объективную реальность наблюдаемых таким образом несовершенств лунной поверхности или беспорядочных метаний мельчайших частичек вещества. В этом отношении ученые всегда пользовались известным преимуществом в понимании новых элементов реальности – они непосредственно ощущали пользу от своих «хитрых» приборов и гораздо быстрее привыкали к представлениям о тех или иных невидимках. Для людей, стоящих в стороне от конкретных естественнонаучных исследований, восприятие несколько затруднялось. Помните великолепные строчки из чеховского «Письма к ученому соседу»: «Как Вы могли видеть на Солнце пятна, если на Солнце нельзя глядеть простыми человеческими глазами…»?
По поводу элементарных частиц также приходится заключать определенный договор. До поры до времени для регистрации новой частицы было необходимо предъявить ее портрет (еще лучше целый альбом!) – фотографию следа в камере Вильсона или ином приборе – переводчике с «микро» на «макро».
Регистрация каждого резонанса требует огромного числа специально обработанных данных, получаемых с сотен фотографий, причем ни на одной из них сам резонанс не оставляет собственного заметного следа – он лишь определенным образом перераспределяет размеры и направления заметных следов других частиц. Поэтому наблюдение резонанса предполагает дополнительную процедуру измерения по сравнению с ситуацией, где в игре участвуют только стабильные или долгоживущие частицы. Но если считать реставрацию резонанса по виду распределения видимых следов вполне допустимой операцией, то он становится полноправным членом семейства элементарных частиц.
