Каоновые коктейли

В августе 1964 года в городе Дубне под Москвой, где находится Объединенный институт ядерных исследований - ОИЯИ, - съехались ученые из многих лабораторий и научных институтов мира на традиционную Международную конференцию по физике высоких энергий.

Обычно ученые с нетерпением ждут очередного смотра объединенных сил теоретиков и экспериментаторов. Здесь можно обсудить свои последние результаты с коллегами из разных стран. Узнать о самых свежих, еще не напечатанных в журналах научных новостях.

Одни хотели встретиться с автором теории кварков М. Гелл-Манном, переживавшим триумф восьмеричного пути в связи с недавно открытой частицей омега-минус- гиперон. Другие мечтали услышать что-нибудь новое об экспериментах с нейтрино.

Но всех без исключения волновали слухи о предстоящем сообщении ученых Принстонского университета США. Слухи о сенсациях чаще всего бывают преувеличенными. Но на этот раз оправдались ожидания и журналистов и специалистов.

Ничто, казалось, не предвещало сенсации. Годы, прошедшие после обнаружения нарушения закона сохранения четности, все больше убеждали физиков в жизнеспособности новых представлений о свойствах пространства, материи и антиматерии.

В такой спокойной и, казалось бы, благополучной обстановке физики встретили 1964 год. И никто не ожидал, что именно в этом году посреди заботливо ухоженной "клумбы" экспериментальных результатов вдруг вырастет колким и неприглядным малиновым прутом новое осложнение - нарушение принципа СР-симметрии.

Доклад американских ученых о новом эксперименте с нейтральными ка-мезонами произвел сильнейшее впечатление. "Странные" частицы опять "замахнулись" на основы современной квантовой теории.

Директор лаборатории высоких энергий ОИЯИ, член- корреспондент АН СССР А. Балдин сказал, что опыт американских исследователей "дал максимум информации, так как изменил наши основные представления. Обнаруженный эффект настолько не укладывался в современную теорию, что он остается главным событием в физике за последние годы".

Что же открылось ученым? Прежде чем узнаем об этом, познакомимся поближе с нейтральными ка-мезонами - удивительнейшими объектами микромира, настоящими хамелеонами мира элементарных частиц.

Возьмем прибор, чувствительный только к этим частицам, и поставим его прямо на выходе их из ускорителя. Через несколько часов измерений мы узнаем, что ка-ноль-мезоны живут всего 10^-10секунды и распадаются на два пи-мезона.

А теперь отнесем прибор на двадцать метров дальше. Что должен регистрировать этот прибор? Казалось бы, ничего! За ничтожное время жизни, отмеренное ка-ноль-мезонам, даже при световой скорости они успевают пролететь всего несколько сантиметров, пролететь и неизбежно погибнуть, распавшись на два пи-мезона.

Но прибор, стоящий уже в двадцати метрах от ускорителя, все продолжает считать нейтральные мезоны, срок жизни которых в 600 раз больше, поскольку они успевают долететь до прибора. Да и распадаются эти долгоживущие мезоны не на два, а на три пи-мезона. Значит, поток частиц, рождающихся при столкновении протонов большой энергии с мишенью, состоит из нейтральных ка-мезонов двух сортов.

Но это еще далеко не все. Стоит экспериментатору забыть перед счетчиком, считающим долгоживущие ка-мезоны, какой-нибудь предмет, как происходит чудо: прибор опять начинает регистрировать короткоживущие ка-мезоны. Они, как и те, что регистрировались на выходе из ускорителя, также распадаются на два пи-мезона!

Чудо объясняется просто. Оказывается, долгоживущие мезоны, столкнувшись с веществом, превращаются в короткоживущие. Подобным свойством не обладает ни одна из известных нам частиц. Нейтроны, протоны или пи-мезоны никогда не меняют своих свойств при столкновении с веществом.

В таблице элементарных частиц каждая жительница микромира занимает максимум две строчки. Первая строка принадлежит частице, вторая - античастице. И только нейтральным ка-мезонам удалось расположиться сразу на четырех строчках!

Первую, как и положено, занимает нейтральный (ка-ноль) мезон, вторую - анти-ка-ноль-мезон. На третьем месте находится уже знакомый нам короткоживущий ка-ноль-мезон. И наконец, на четвертом - долгоживущий ка-ноль-мезон.

Экспериментаторы, как ни старались, не могли обнаружить в природе анти-ка-ноль-мезон. Ну что ж, в этом не было ничего удивительного. Нет античастицы у фотона, нет ее и у нейтрального пи-мезона. Эти частицы и по теории должны быть совершенно идентичны со своими "антиродственниками".

Но когда М. Гелл-Манн создал свою классификацию элементарных частиц, у него получилось, что ка-ноль-мезоны должны все-таки отличаться от анти-ка-ноль-мезонов. Проницательный Э. Ферми сразу же спросил у него: "Как вы можете представить себе ка-ноль и анти-ка-ноль различными, если они распадаются неразличным образом?"

"Как теперь ясно, - пишет в воспоминаниях Б. Понтекорво, - в этих словах скрыта глубокая догадка о дуальных - двойственных - свойствах нейтральных каонов". (Каонами физики называют ка-ноль-мезоны.)

Встречи частиц и античастиц между собой происходят крайне редко. Лишь незначительная доля протонов или электронов встречается со своими антидвойниками. Объясняется это тем, что материя и антиматерия всегда разделены в пространстве. Только в момент их первого (и последнего) в жизни свидания некоторые частицы и античастицы ненадолго образуют связанную систему. Так электрон и позитрон до аннигиляции в виде атома - позитрония - успевают помочь ученым в решении некоторых химических задач.

Однако анти-ка-ноль-мезонов не было нигде - ни в космических лучах, ни среди частиц, рождающихся на ускорителях. Но они должны быть! - настаивала теория. И один опыт сменялся другим, настойчивые поиски продолжались. Продолжались до тех пор, пока физики однажды не поняли, что искать-то, собственно, нечего. Все было просто и одновременно фантастически необычайно.

Слабые взаимодействия как бы "сблизили" мир и антимир. Они связали нарушение зеркальной симметрии пространства с различием между частицами и античастицами, например, в знаке электрического заряда. В нейтральных ка-мезонах мир и антимир сосуществуют бок о бок вплоть до их распада. Они не что иное, как смесь частиц и античастиц. И не одна, а целых две смеси - два строго согласованных, уравновешенных состояния с определенной массой, с постоянным временем жизни и другими квантовыми свойствами.

Одну смесь ученые назвали нейтральными короткоживущими, а другую - долгоживущими ка-мезонами.

Вот эти-то "коктейли", тщательно приготовленные природой из двух одинаковых компонентов, и продемонстрировали свое несогласие с принципом СР-симметрии.