Царство энергии

Наш рассказ об открытии элементарных частиц остановился на 1960 году, когда на руках у физиков оказалось около 30 сортов простейших кирпичиков материи и не осталось никаких сомнений в том, что в скором времени число их может удвоиться.

К этому времени физика элементарных частиц перестала питаться только сведениями, поступающими от исследователей космических лучей. В научных лабораториях появились мощные ускорители.

Уже в 1949 году в Институте ядерных проблем АН СССР начал работать самый мощный в то время ускоритель в мире. С его помощью физики узнали много нового о свойствах атомных ядер, о взаимодействии быстрых протонов и нейтронов с веществом. Полученные экспериментальные результаты позволили советским ученым через несколько лет решить проблему мирного использования атомной энергии. Пуск в 1954 году в Обнинске первой в мире атомной электростанции открыл новую эру в развитии энергетики.

В апреле 1957 года в подмосковном городе Дубна в Объединенном, институте ядерных исследований был запущен новый ускоритель - синхрофазотрон, "производящий" протоны с энергией до 10 миллиардов электрон-вольт.

Ни в одной другой лаборатории мира еще не получали тогда частиц столь большой энергии. Ученым социалистических стран удалось проникнуть еще глубже в тайну строения материи. На этом ускорителе было открыто несколько новых элементарных частиц, в том числе одна из семейства гиперонов: анти-сигма-минус-гиперон.

Все частицы могут рождаться при столкновении любых двух частиц, например протонов большой энергии с атомными ядрами. А где все это происходит - в космосе ли, на границе ли с атмосферой Земли или в мишени ускорителя - не имеет принципиального значения.

Правда, космические протоны обладают намного большей энергией, чем протоны, разогнанные на самых мощных ускорителях. Зато насколько удобнее работать с лабораторными пучками пи-мезонов, чем отлавливать их в космических лучах.

Уточняя паспортные данные частиц, физики обратили внимание, что большинство известных частиц живет дольше 10^-14 секунды. Меньше всех - около 10^-19секунды - существует лишь одна частица под названием эта-мезон.

Но ученые не могли понять, почему не обнаружено частиц с временем жизни в интервале от 10^-19секунды до так называемого "ядерного" времени, равного 10^-22 - 10^-23секунды? Того самого минимального времени, необходимого новорожденной частице, чтобы заявить о своем появлении на свет. Но едва физики успели задать себе этот вопрос, как частица, рождающаяся на столь краткое мгновение, что и мгновеньем-то его нельзя назвать, была открыта!

За два года до смерти пятидесятилетний Энрико Ферми на Чикагском ускорителе поставил опыт, чтобы выяснить детали взаимодействия пи-мезонов с нуклонами. Результаты оказались удивительными! При некоторой энергии пи-мезона его взаимодействие с протоном меняло свой характер. Это напоминало, например, резкий всплеск интенсивности электромагнитных волн, когда частота излучения генератора приходит в резонанс с частотой, на которую настроена передающая антенна. Здесь же в резонанс вошли кинетическая энергия пи-мезона и потенциальная энергия его взаимодействия с протоном.

Мезон в течение времени, сравнимого с ядерным временем, как бы "задерживался" около протона, и возникала новая сложная частица. Но в те дни этот резонанс не рассматривался еще как частица.

Когда появились более мощные ускорители, энергия протонов была уже так велика, что при столкновении с нуклонами вещества протоны рождали одновременно несколько частиц разных сортов. Физики задумались. А что, если это осколки какой-то первичной, сверхтяжелой частицы, которая распалась в течение "ядерного" времени?

Если измерить углы разлета всех рождающихся частиц и их энергию, то можно было вычислить массу этой "прачастицы". После проделанных измерений и расчетов физики пришли к выводу, что "прачастицы" существуют. Они в течение 10^-23секунды распадаются на обычные, уже знакомые нам нуклоны, гипероны и мезоны.

Новые частицы получили название "резонансов", в котором отражена история их открытия.

Как выяснилось, образование резонансов не исключительное, а довольно общее свойство сильно взаимодействующих частиц. При достаточно большой энергии столкновения могут образоваться две, три и больше вторичных частиц, объединяющихся в неустойчивые комплексы.

Первые открытые резонансы были комплексами двух частиц. Одни из них распадались на два пи-мезона, другие - на ка- и пи-мезоны. Потом обнаружились новые, более сложные комбинации.

"Ловлей" новых частиц стало заниматься так много экспериментаторов, что большинство резонансов обнаруживали одновременно в нескольких лабораториях.

"Досадно, что Ферми, обнаруживший в 1953 году первый случай так называемых адронных резонансов, не смог увидеть продолжающегося до сих пор триумфального развития этого направления и появления в таблицах элементарных частиц сотен резонансов", - писал в воспоминаниях об Энрико Ферми его ученик, советский академик Бруно Понтекорво.

Так сколько же, наконец, элементарных частиц известно на сегодняшний день?

Настало время подвести итог, хотя это и не так просто сделать. Рамки довольно скромной, как мы теперь видим, таблицы элементарных частиц, составленной физиками к 1960 году, были сметены потоком открытых за короткое время новых частиц - резонансов.

Известные нам ранее 30 элементарных частиц, которые еще несколько лет назад могли претендовать на исключительное внимание, оказались лишь относительно устойчивыми и более легкими собратьями огромной совокупности образований. Но и по сей день от экспериментаторов то и дело поступают сообщения об открытии все новых и новых частиц. И все они пока что относятся к резонансам.

Даже специалистам, работающим в области физики элементарных частиц, трудно назвать точное число всех кирпичиков материи. Их уже более двух сотен! Сейчас специальный международный центр ежегодно выпускает стостраничный журнал со сведениями о вновь открытых частицах.

Итак, пытаясь ответить на вопрос, "как все устроено", физики прошли длинный путь. Вначале была сложная картина строения материи - около девяти десятков "элементарных" атомов.

Ее сменила наипростейшая, состоящая всего из трех основных кирпичиков - протона, нейтрона, электрона. И в конце концов пришли к открытию удивительного мира элементарных частиц.

Увлекательны путешествия в космос, на дно морей и океанов. Но не менее увлекательно путешествие в глубины материи!

Альфа-частицы впервые позволили Резерфорду исследовать пространство на расстоянии 10^-13 сантиметра. А современные сверхскоростные атомные снаряды дают возможность зондировать пространство на расстоянии до 10^-15 сантиметра!

Кроме новых масштабов пространства, элементарные частицы дали возможность нам познакомиться и с абсолютно новыми масштабами энергии.

После открытия реакций деления физики были потрясены количеством энергии, выделяющимся при делении одного атомного ядра урана. Но при столкновении протона с нуклонами в Серпуховском ускорителе передается и поглощается в тысячу раз большее количество энергии!

Мгновение - и во все стороны от мишени разлетаются только что возникшие нуклоны и антинуклоны, мезоны и гипероны. Мгновение - и распадаются на отдельные частицы самые тяжелые из частиц - резонансы. Каждое столкновение вызывает к жизни этот неспокойный, волнующий, изменчивый мир, все краски и разнообразие которого зависят от энергии. Именно энергия, и только она, - та питательная среда, в которой на мгновение расцветают необычайные "миражи" микромира.