Брызги материи

Полвека назад, перед второй мировой войной, физики знали шесть частиц. Четыре основных частицы-кирпичика: протон, нейтрон, электрон, позитрон, и две вспомогательных частицы-воланчика: фотон и мезон.

Кстати, с мезоном произошла занятная путаница. Когда его обнаружили в космических лучах, физиков удивило, насколько легко он проходил сквозь толстые железные и свинцовые болванки. Оставалось загадкой, каким образом столь слабо взаимодействующая частица может связывать протоны и нейтроны в ядрах. Ответ был найден уже после войны. Оказалось, что существуют два вида мезонов: один — слабовзаимодействующая, похожая на электрон частица, ее-то и открыли в предвоенные годы, а другой — предсказанный Юкава несколько более тяжелый, сильновзаимодействующий мезон. Физиков сбила с толку близость масс этих частиц. Чтобы их различать, им в качестве ярлыка-этикетки присвоили греческие буквы μ (мю) и π (пи) и стали называть мю- и пи- мезонами.

Была еще седьмая частица — нейтрино. Точнее, гипотеза о частице-невидимке, которая взаимодействует с веществом так слабо, что успевает пройти не только сквозь весь земной шар, но и сквозь всю толщу Солнца и не поглотиться. Она не оставляет никаких следов в окружающем веществе. Эту частицу никто не наблюдал, но в ее пользу говорили многие косвенные данные.

В том, что физики довольно быстро поверили в нейтрино, важную роль сыграл авторитет ее изобретателя Вольфганга Паули. Знаменитый физик-теоретик еще при жизни стал легендой. Человек весьма трудный в общении, он был очень требователен к своим ученикам и сотрудникам и не всегда считался с мнением коллег, тем более что в его собственных работах ошибки были крайне редки. Среди физиков ходит много смешных историй и анекдотов, связанных с именем Паули. Его знакомые шутили, что присутствие Паули действует не только на физиков, но и на их приборы — как и физики, они начинают волноваться и сбиваться. Однажды был подготовлен розыгрыш. Большие настенные часы в зале, где предполагалось выступление Паули, с помощью электрического реле соединили с дверью. Ожидалось, что когда Паули ее откроет (а он был человеком пунктуальным), часы «испугаются» и встанут. Но этого не случилось — неожиданно отказало реле.

— Этого и следовало ожидать, — смеялись в зале, — сработал «эффект Паули»!

Четверть века физики вынуждены были мириться с тем, что в их рассуждениях и расчетах присутствует невидимка. Поймали ее в опытах, выполненных уже после второй мировой войны, когда появились мощные источники нейтрино — атомные реакторы.

Пока шла война, физикам было не до частиц. Они разрабатывали радары, аппаратуру для обнаружения вражеских подводных лодок, занимались атомным оружием и массой других неотложных дел. Но после войны в различных странах — в Советском Союзе, Западной Европе, в США — стали один за другим создавать мощные ускорители, способные разгонять протоны и электроны до гигантских энергией. Ускоренные частицы дробили атомные ядра, и среди осколков физики то и дело находили «золотые крупинки» новых, неизвестных дотоле частиц.

Брызги материи! Некоторые из них обладали настолько неожиданными свойствами, что пришлось учредить особую категорию «странных частиц». Сегодня многие из них хорошо изучены и уже не выглядят странными, но это название к ним прочно прилипло, как прилипает иногда к человеку смешная детская кличка.

А далее открытия посыпались, как из рога изобилия. Редкий месяц не приносил какой-либо новой частицы. Открывая очередной номер физического журнала, можно было с уверенностью сказать, что там речь идет еще об одной частице. Теперь частиц несколько сотен. Для их обозначения давно уже не хватает ни греческого, ни латинского алфавитов. Некоторые частицы известны просто под номерами: А1, А2 и так далее. Даже специалисты толком не знают, сколько открыто частиц, — много!

В Калифорнии группа физиков-экспертов собирает, проверяет и анализирует все сообщения об открытии новых частиц. Это очень важная и нужная работа, так как иногда случается, что частицу открывают одновременно в нескольких институтах. Ее измеренные в опыте параметры чуть-чуть различаются, она получает разные названия, и возникает путаница. Эксперты составляют сводку всех частиц — достоверно открытых и тех, относительно которых остаются еще некоторые сомнения. Это толстенькая брошюра в несколько десятков страниц.

И вот что важно: если не считать частиц-кирпичиков протона, нейтрона и электрона, то перечисленных в этой брошюре частиц нет ни внутри ядра, ни в атоме. Они каждый раз заново рождаются в ядерных реакциях. Пословица говорит: лес рубят — щепки летят. Но щепки — это кусочки того, что уже было. Частицы же, как искры при ударе топора о металл, образуются в процессах столкновений.

В древнем мифе рассказывается о рождении богини Афродиты из морской пены. Неистовый ветер ударил волну о берег, и из вспыхнувшей радуги брызг и белой шипящей пены ступила на берег богиня красоты. Рождение частиц происходит не менее эффектно, но не из пены, а из энергии, точнее, из массы, связанной с энергией. Движущаяся частица весит больше неподвижной, поскольку кинетическая энергия движения тоже имеет массу. За счет этой массы и образуются новые частицы.

Большие ускорители как раз и создаются для того, чтобы разгонять частицы до такой скорости, чтобы их энергии было достаточно для рождения новых.

Электроны, протоны, мезоны и другие частицы принято называть элементарными. Если атомы и их ядра можно разделить на более простые части, то с элементарными частицами это не удается. В любых известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга — взаимопревращаются. Если в одной реакции, например, при распаде родились более легкие частицы, то в другой, наоборот, образуются тяжелые. Никаких более простых «кусков» от частиц не отщепляется. В то же время из них, как из кирпичиков конструктора, можно построить весь окружающий мир во всей его красоте и разнообразии.

Ступень элементарных частиц необычайно богата своим содержанием. Каких только здесь нет пород, гибридов и монстров! Некоторые из них следует рассмотреть поближе.