Бег за бесконечностью (с илл.)

Потупа Александр Сергеевич

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!

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.