65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников

Конечно, это не самый «ювелирный» метод исследований, но лучше этого физики пока ничего не придумали. Ведь даже если мы попробуем «разрезать» какой-нибудь протон при помощи лазерного луча (самый тонкий инструмент из всех доступных на сегодня), то это будет та же самая бомбардировка протона пучком фотонов. И еще не факт, что все они в него попадут, поскольку после первого же столкновения протон улетит в неизвестном направлении. Так что физики вынуждены строить специальные ускорители элементарных частиц, чтобы разгонять их до скоростей, близких к скорости света, и сталкивать друг с другом.

Аналогичный метод используют при наблюдении за космическими лучами[115]. Только в этих экспериментах мы не можем сами задать параметры бомбардирующих частиц и вынуждены фиксировать результат их столкновения с частицами атмосферы. Но зато частицы, прилетающие к нам из космоса, иногда обладают энергией, в миллионы раз превышающей энергию самых быстрых частиц на земных ускорителях. Поэтому изначально многие открытия в физике элементарных частиц делались в экспериментах именно с космическими лучами и уже потом проверялись на ускорителях.

Так, к примеру, были открыты пи-мезоны – частицы, при помощи которых осуществляется связь протонов и нейтронов в ядрах атомов. Изначально существование пи-мезонов было предсказано в 1935 году в чисто теоретической работе японского физика Хидэки Юкавы (1907–1981), который не только предложил свою теорию ядерных сил, но и получил приблизительную оценку массы пи-мезонов: чуть больше, чем у электрона, но меньше, чем у протона. Тем не менее сам Юкава сомневался в правильности своей теории, поскольку частицы с такой массой никогда не наблюдались во время эксперимента.

Но уже через пару лет частицы, очень похожие на предсказанные Юкавой мезоны, все-таки удалось обнаружить. В целой серии наблюдений за космическими лучами, проведенных Карлом Андерсоном (отрывшим позитрон) и его студентом Сетом Наддермеером (1907–1988), было показано присутствие в атмосферных ливнях частиц[116] с массой в 200 раз большей, чем у электрона. Это открытие произвело фурор в научной среде, поскольку не только подтверждало теорию, но и открывало совершенно новый составной элемент материи.

Однако последующие исследования свойств этих частиц показали, что они не захватываются атомными ядрами (а, согласно теории Юкавы, должны были) и вообще очень слабо с ними взаимодействуют. Поэтому такие частицы не могут быть переносчиками ядерного взаимодействия. Это какие-то совершенно другие частицы. Физики предположили, что это не мезоны Юкавы, а продукты их распада. И, действительно, так и оказалось: в экспериментах с космическими лучами, проведенных в 1947 году группой ученых под руководством британского физика Сесила Пауэлла (1903–1969), впервые удалось зафиксировать те самые пи-мезоны. А также в наблюдениях Пауэлла были зафиксированы частицы, которые образуются в результате распада пи-мезонов. Их назвали мюонами[117].

Выяснилось, что время жизни пи-мезона чрезвычайно короткое, примерно 2*10–8 с (т. е. две стомиллионные доли секунды). Именно такое время жизни предсказывала теория Юкавы. А вот мюон по меркам микроскопических частиц уже долгожитель, время его жизни оказывается в сто раз больше и составляет порядка 10–6 с (одной миллионной доли секунды). Потом он тоже распадается, и в результате образуется электрон.

Но физики, конечно же, не остановились на этих открытиях. К тому же изучать исключительно частицы, прилетающие к нам в атмосферных ливнях из космоса, не всегда удобно – ведь мы не можем сами задавать их параметры (скорость, энергию, углы прилета и т. д.). Поэтому ученые занялись усовершенствованием своих ускорителей, чтобы на них можно было разогнать частицы до энергий, достаточных для рождения мезонов и исследования их свойств.

Изначально физики-экспериментаторы собирали ускорители для разгона протонов, потому что их относительно просто получить – для этого достаточно от атома водорода «оторвать» электрон (такой процесс называется ионизацией). Идею самого первого ускорителя протонов предложил американский физик Эрнест Лоуренс (1901–1958) в 1929 году, а реализовал в 1931‐м. Основной принцип, положенный в основу работы ускорителя Лоуренса, заключался в том, чтобы при помощи магнитных полей заставить заряженные частицы двигаться по окружности[118] и постепенно их разгонять. Заметим, что само магнитное поле просто закручивает траектории частиц, а не разгоняет их. Но если эти частицы периодически подталкивать короткими электрическими импульсами, то тем самым можно разогнать их до очень высоких скоростей. Ускоритель, работающий по такому принципу, получил название циклотрон. В нем траектории частиц представляют собой спирали, расширяющиеся по мере увеличения скорости. Самый первый циклотрон, построенный Лоуренсом, представлял из себя диск диаметром чуть более 10 см и помещался на ладони. Но уже к концу 1940‐х годов физики строили циклотроны размером с небольшое здание.

Однако при увеличении размеров ускорителей росла и энергия разгоняемых частиц, а их скорость приближалась к скорости света – так что начинали проявляться различные релятивистские эффекты, которые уже нельзя было игнорировать (иначе частицы переставали разгоняться, а пучки разлетались по всему кольцу). Поэтому следующим этапом развития ускорителей стал синхротрон, идею которого предложили независимо друг от друга советский ученый Владимир Иосифович Векслер (1907–1966) – в 1944 году, и американский физик Эдвин Макмиллан (1907–1991) – в 1945 году. При работе синхротрона электрические поля генерируются таким образом, чтобы подгонять в основном отстающие частицы, а тем, что ускорились слишком сильно, давать меньший импульс. Магнитные поля при этом должны увеличиваться синхронно с увеличением энергии частиц, чтобы их траектории оставались круговыми, а не раскручивались по спирали. Тогда частицы не распыляются по всему кольцу, а группируются в виде небольшого пучка, летящего по орбите постоянного радиуса. Все современные циклические ускорители работают по этому принципу.

Синхротроны позволили ученым разогнать протоны до колоссальных энергий. И тут с частицами начали происходить очень странные вещи. При их столкновениях среди осколков, разлетающихся в разные стороны, начали попадаться всё новые и новые частицы. Их стали фиксировать благодаря тому, что параллельно с развитием ускорителей совершенствовались и методы детектирования. Чуть ли не каждую неделю приходили сообщения об открытии очередной элементарной частицы. Да, это были нестабильные частицы, и через очень короткие промежутки времени они распадались. Время жизни некоторых из них составляло от 10–24 до 10–22 с. Но тем не менее все они отчетливо фиксировались детекторами. Так что у физиков не было никаких сомнений в существовании обнаруженных частиц.

Этим новым частицам давали необычные названия: К-мезоны, лямбда-гипероны, резонансы и т. д. Все это выглядело, как какой-то «зоопарк»[119]: вновь открытые частицы вели себя порой очень странным образом, распадались, превращались в другие частицы, опять распадались. Физики-экспериментаторы бросились изучать свойства всех этих частиц. Оказалось, что масса многих из них