Лаборатория для всех

Над нашей головой - бездонная глубина постоянно меняющегося неба. Оно то покрыто облаками и тучами, то играет всеми переливами голубого и синего цвета. Небо воспевают лирики и рисуют пейзажисты. И даже физики, которые рассматривают его всего .лишь как атмосферу, видят в этом слове элемент романтики - романтики науки.

Вместе с атмосферой человек получил в свое распоряжение целую природную лабораторию. Узнал он об этом не так давно, в начале нашего столетия, хотя понятие об атмосфере возникло намного раньше. Сейчас физик знает, что в межзвездном безвоздушном пространстве, словно в вакуумной камере ускорителя, почти со скоростью света летят протоны, из которых на 95 процентов состоит первичное космическое излучение. Долетев до атмосферы Земли, протоны вторгаются в нее. Что при этом происходит?

Да то же самое, что и на Серпуховском ускорителе при столкновении пучка протонов с мишенью. Только в природных условиях событие это гораздо фееричнее, Протоны космических лучей с чудовищной энергией сталкиваются с атмосферой и разбиваются на множество отдельных брызг - элементарных частиц, осыпающих поверхность Земли.

Итак, наше прекрасное синее небо не что иное, как мишень космического протонного ускорителя. Этому Ускорителю принадлежит рекорд не только по энергии, но и по числу открытых на нем учеными элементарных частиц.

Электроны, фотоны, протоны, нейтроны - вот перечень частиц, открытых еще до создания ускорителей и без участия космических лучей. Но физика элементарных частиц родилась лишь тогда, когда в камере Вильсона была впервые обнаружена "продукция" космического ускорителя: позитроны, мю-мезоны, пи-мезоны, ка-мезоны, гипероны...

В 1956 году удалось наконец с помощью ядерного реактора обнаружить нейтрино. Писательница Г. Николаева так откликнулась на это событие в своем неоконченном романе: "Я люблю нейтрино, предсказанного с надеждой, рожденного с восторгом, окрещенного с нежностью. Я люблю нейтрино, всепроникающего малютку, способного, смеясь, пронзить Галактику, даже если ее залить бетоном. Я люблю нейтрино!"

Размышляя над свойствами слабого взаимодействия, ученые пришли к выводу, что эти восторженные строки можно отнести к нейтрино малых энергий, а нейтрино больших энергий их не заслуживают. Почему? Ведь все остальные элементарные частицы становятся более проникающими с увеличением их энергии. А нейтрино - наоборот! Но как проверить экспериментально предположение ученых? Где взять нейтрино достаточно больших энергий?

Вот тут-то и вспомнили опять о космических лучах. Академик М. Марков высказал идею, что для изучения слабого взаимодействия можно использовать нейтрино, место рождения которых - земная атмосфера. На каждый квадратный метр поверхности Земли с неба падает тридцать атмосферных нейтрино в секунду с энергией больше 10 миллиардов электрон-вольт! Очень много, если представлять себе нейтрино чем-то вроде капелек дождя. Но очень мало, если иметь в виду постановку конкретных экспериментов.

Помните, как удалось зарегистрировать нейтрино? Через небольшой бак со сцинтиллирующей жидкостью пропускали колоссальной интенсивности поток нейтрино из реактора. Но космический ускоритель не заставишь давать этих частиц побольше. Потребовался бы гигантский бак, чтобы с достоверностью зафиксировать в нем атмосферные нейтрино.

И тогда ученые поставили опыты, в которых участвовал весь земной шар: все вещество земного шара играло роль большой мишени в слабом потоке падающих нейтрино.

Наша Земля прозрачна для нейтрино. И тем не менее одна миллионная доля их потока застревает в этой огромной мишени. В момент реакции нейтрино с веществом Земли возникает легкая заряженная частица - мю-мезон, которую можно зарегистрировать обычным счетчиком. А зарегистрировав ее, узнать ъ взаимодействии нейтрино больших энергий с веществом.

Но вот трудность. Точно такие же мю-мезоны выдает, и космический ускоритель; и отличить их от мю-мезонов, которые рождаются от нейтрино, невозможно. Где же выход? Он один - надо надежно укрыться от нежеланных гостей (космических мю- мезонов), поставив на их пути непроницаемую преграду -трехкилометровую толщу земной коры.

В 1966 году грандиозная установка из 36 пятиметровых счетчиков, содержащих 16 тонн специальной жидкости, была собрана под землей на глубине более трех километров в шахте золотых рудников около Иоганнесбурга в Южной Африке. Полтораста чувствительнейших фотоумножителей, непрерывно просматривая сцинтиллирующую под действием элементарных частиц жидкость, зарегистрировали в течение года 10 атмосферных нейтрино.

Такие же нейтрино обнаружила и другая группа ученых на глубине 2300 метров в Индии. Результаты этих экспериментов, а затем и опытов на ускорителях подтвердили предположения ученых.

В последние годы космические лучи вновь вышли на авансцену. Для построения теории элементарных частиц важно не столько доскональное изучение свойств известных частиц, что, конечно, удобнее делать на ускорителях, сколько поиски новых частиц - кварков, промежуточных бозонов, монополей Дирака и проверки фундаментальных теорем. А здесь все решает энергия.

"Бесплатный" космотрон сейчас - единственный источник частиц таких энергий, которые пока невозможно получить искусственным путем. Некоторые ученые (например, Ф. Дайсон) даже считают, что будущее физики высоких энергий не в строительстве ускорителей на все большие энергии, а в сооружении гигантских регистрирующих установок, работающих на космических лучах.

На самых тяжелых советских спутниках Земли типа "Протон" была установлена специальная аппаратура и мишени для исследования взаимодействия протонов первичного космического излучения сверхвысоких энергий с веществом. Пронизывая атмосферу, спутник выносил содержащиеся в нем мишени и приборы в поток ускоренных в космосе протонов подобно тому, как мишень, находящаяся в шлюзе, в определенный момент выскакивает навстречу протонному пучку Серпуховского ускорителя. Попутно заметим, что на спутниках серии "Космос" находятся детекторы для регистрации античастиц и антиядер в первичном космическом излучении.

Мы говорили, что мю-мезоны значительно тяжелее электронов. Возможно, в этом различии заключена одна из самых глубоких тайн микромира. Но отличаются ли они от электронов чем-нибудь еще, кроме массы? А если нет, то в чем же тогда причина "тучности" мезона?

Теоретики пытаются ответить на эти вопросы, предполагая, что существуют какие-то взаимодействия, специфические для той или другой частицы. Задача экспериментаторов - найти различие в поведении мюонов и электронов. На ускорителях никакой разницы обнаружить не удалось. Может быть, она проявляется только при очень высоких энергиях?

На высокогорных научных станциях мира внимательно изучают рождение мю-мезонов космическими протонами огромных энергий. А на дне глубоких шахт ученые измеряют угловое распределение мезонов, образующихся в атмосфере.

В последнее время в этих экспериментах получены результаты, отличные от тех, что дают теоретические расчеты. Результаты эти стали предметом оживленных дискуссий.