Игра по правилам

Представим себе, что мы находимся около ускорителя протонов в Дубне. Все готово к сложному опыту. Укреплена мишень из водорода. Подан ток к магнитам ускорителя. Звуковой сигнал, красный свет предостерегающего табло - и все покидают экспериментальный зал.

В этом зале сейчас совершится не видимое никому, но реально регистрируемое приборами великое "таинство" микромира - рождение элементарных частиц в момент столкновения ускоренных протонов с протонами мишени.

Дежурный оператор включает высокочастотный генератор, и ускоритель начинает работать. При каждом его "выдохе" порция быстрых протонов прошивает мишень. Удар - и аппаратура мгновенно опознает пары новорожденных близнецов. Либо это протон и антипротон, либо нейтрон и антинейтрон, либо же резонансы и быстрые пи-мезоны.

Все это происходит в Дубне. А в такой же мишени на Серпуховском синхрофазотроне рождается одновременно еще больше частиц и в еще более богатом ассортименте. Число частиц, таким образом, зависит лишь от энергии налетающего протона.

Изменится ли что-нибудь, если облучить нашу мишень не протонами, а другими частицами?

В Ереване недавно запущен синхротрон, дающий пучок фотонов с энергией в 5 миллиардов электрон-вольт, или в 5 Гэв. Но и в Ереване, на этом мощнейшем ускорителе электронов, приборы сообщают то же самое. Катастрофа столкновения фотона с протоном заканчивается без потерь для элементарных частиц. Она лишь сопровождается фейерверком новорожденных мезонов, нуклонов и антинуклонов. И количество их опять определяется энергией налетающего фотона.

С помощью современных чувствительных приборов физики получают полную информацию о результатах ядерной катастрофы: сколько возникло частиц, какие именно и с какой энергией.

В случае, когда атомным снарядам не хватало энергии для рождения антинуклонов, антипротонов и антинейтронов, все было очень просто. Происходящая реакция подчинялась закону сохранения энергии и еще одному закону - закону сохранения числа нуклонов.

Но когда энергии ускоренных протонов стало хватать и на рождение антинуклонов, на первых порах началась неразбериха. Закон сохранения числа нуклонов перестал выполняться в ядерных реакциях. Казалось, что процесс рождения новых частиц подчинялся только закону сохранения энергии. Во всем же остальном он был совершенно стихийным.

Энергия, энергия и еще раз энергия! Неужели в микромире она правит безраздельно, не ограниченная никакими законами и правилами?

На первый взгляд кажется, что все именно так и происходит. Сшибаются два протона. В результате реакции столкновения нарождается несколько новых протонов, а также - на радость экспериментаторов - целый сонм антипротонов, нейтронов, антинейтронов и мезонов. Что-то вроде игры в рулетку - забрасываешь свой протон и ждешь, что она тебе в обмен выкинет.

Вскоре физики подметили, что в этой азартной игре не может выпасть произвольное число очков. Есть и в ней свои строгие правила.

Согласно этим правилам физики приписали каждому нуклону +1 очко, а антинуклону -1 очко. Мезоны получили 0 очков. Теперь даже первоклассник легко мог подсчитать, что во всех реакциях общее число очков до столкновения всегда было равно числу этих очков после столкновения.

Очки, которые получали нуклоны, антинуклоны и мезоны, физики назвали барионным зарядом этих частиц. Обнаруженное же правило игры - законом сохранения барионного заряда. Сколько бы ни сталкивались протоны с протонами, с нейтронами или с гамма-квантами, после реакции возникало столько же новых нуклонов, сколько и антинуклонов.

"Этот закон, - писал профессор С. Смородинский, - отражает фундаментальное свойство атомных ядер, их устойчивость. При малейшем нарушении этого закона протоны или нейтроны в ядрах исчезли бы, превратившись, например, в позитроны, нейтрино или мезоны. И самим своим существованием мы обязаны тому, что закон сохранения барионного заряда никогда не нарушается".

Есть и другие правила и законы, которым подчиняется рождение элементарных частиц, но сейчас мы не будем останавливаться на них. Перечисление их мало что прояснит в интересующей нас проблеме. Даже познав эти правила, физики не знают, как объяснить и понять эту бесконечную игру: сколько чего выпадет?

Но самое главное - не ясно, откуда берется весь этот ворох частиц, возникающих при столкновении?