Ферми. Ядерная энергия - Antonio Hernandez-Fernandez

АДРОНЫ: БАРИОНЫ И МЕЗОНЫ

В стандартной модели физики частиц адронами называются частицы, состоящие из кварков, соединяющихся посредством сильного взаимодействия. Они делятся на две основные группы (хотя сейчас ученые ищут и другие комбинации):

— барионы, состоящие из трех кварков, как нейтроны и протоны;

— мезоны, состоящие из одного кварка и одного антикварка, как пионы (или мезоны) и каоны (или К-мезоны).

Кваркам присвоено барионное число В = 1/3, а антикваркам — В = = -1/3, поэтому у барионов В = 1, а у мезонов — В = 0. Список адронов значительно расширился, когда стали возможны эксперименты в ускорителях частиц с большими энергиями. Обычно они располагаются в зависимости от их квантового числа изоспин.

Схема новых мезонов с нулевым спином: пионы (π0, π+, π-), каоны (К°, К+, К), его античастица (K°) и эта-мезоны (η, η’). S обозначает странность, Q —заряд.

Несколько месяцев спустя Сесил Пауэлл, Сезар Латтес и Джузеппе Оккиалини, изучая космические лучи при помощи техники фотоэмульсии, смогли идентифицировать первый настоящий мезон — π-мезон, или пион: его распад приводил к появлению μ-мезотрона космической радиации, который оказался новым лептоном с массой, очень близкой к массе мезона.

Ферми назвал его просто мюоном. Позже было доказано, что в результате этого распада пиона получаются мюон и его мюонное нейтрино:

π⁺→μ⁺ + ν_μ.

Так появилась физика высоких энергий, и ученые всего мира стали грезить ускорителями частиц. Ферми не был исключением. Постепенно, по мере того как увеличивались возможности экспериментов с квантовым миром, рос и список частиц.

ВЗГЛЯД В КОСМОС

Изучая космическую радиацию, Ферми был обязан опять обратить свой взгляд на небо. Космос хотел быть прочитанным. Эксперименты Пауэлла, Латтеса и Оккиалини вдохновили ученых на то, чтобы создавать в ускорителях положительные, отрицательные и нейтральные пионы и исследовать их взаимодействие с материей. Какие из этих взаимодействий были сильными, а какие — слабыми? Какие частицы были элементарными, то есть основой, из которой можно получить все остальные? Началась гонка за открытием целой вселенной новых частиц. В 1948 году Ферми встретился в Калифорнийском университете с Юкавой, Виком и Сегре и обсудил с ними свое видение мезонов. Сам Ферми говорил так:

«Когда была выдвинута теория Юкавы (согласно которой сильное ядерное взаимодействие соответствует обмену я-мезонами между нуклонами), было вполне оправданно предположить, что задействованные частицы — протоны, нейтроны (нуклоны) и я-мезоны — могут считаться элементарными. Эта уверенность постепенно таяла, так как очень быстро исследователи стали открывать новые частицы».

Ученые исследовали поток частиц, происходящих от космической радиации и способных при взаимодействии с магнитным полем Земли порождать такие удивительные явления, как полярное сияние. Они поднимались в горы и даже совершали полеты на воздушных шарах с детекторами и фотопленкой в надежде поймать новые кванты из космоса. В 1947 году были открыты новые космические частицы, вначале К-мезон (или каон), затем — гипероны (Δ, Ξ,Σ, Ω). Долгое время о свойствах гиперонов ничего не было известно, их начали изучать годы спустя.

Таким образом, например, распад каона К⁺ на два пиона

К⁺ → π⁺ + π⁺ + π^-

был первым примером нового типа слабого взаимодействия, при котором не испускались электроны и в котором также наблюдалось сильное взаимодействие. Впоследствии были открыты другие типы распада каона. Ферми всегда смотрел в корень проблемы. Столкнувшись с каскадом новых частиц, обнаруженных в космических лучах, он сформулировал простой вопрос: откуда берутся эти космические лучи? Ученый вновь продемонстрировал свои выдающиеся навыки обобщения в статье On the Origin of Cosmic Radiation («О происхождении космического излучения»), опубликованной в 1949 году. В ней он выдвинул теорию о том, что космические лучи — это продукт ядерных реакций на звездах: они ускоряются в космосе под воздействием сильных электромагнитных полей звезд и галактик, которые должны быть похожи, на те, что ученые воссоздают в циклотронах, но имеют при этом гораздо большую интенсивность. В теории Ферми были и темные пятна, поскольку она не объясняла до конца поведение тяжелых ядер, обнаруженных в космических лучах.

Летом 1949 года, через 11 лет после отъезда, Ферми вернулся в Италию, чтобы представить свою работу о происхождении космической радиации на международной конференции по космическим лучам, организованной в Комо. На родине его ждал теплый прием. Ученый был взволнован и растроган, встречая старых друзей. Он прочитал несколько лекций, воодушевив новое поколение итальянских физиков, для которых он был настоящей легендой.

Вернувшись в Италию, Ферми вместе со своим новым учеником Чжэньнином Янгом опубликовал революционную статью Are Mesons Elementary Particles? («Являются ли мезоны элементарными частицами?»), в которой соавторы утверждали, что π-мезоны могут быть результатом объединения нуклона и антинуклона. Янг и Ферми хорошо описали свою модель, объяснив сильное взаимодействие между л-мезонами. Их теорию в 1956 году дополнил Сёити Саката. Янг и Ферми приблизились к современной модели, в которой мезоны считаются результатом объединения кварка и антикварка. Интуиция подсказала Ферми, что строение мезонов заслуживает более глубокого изучения и что они состоят из частицы и античастицы. Но поскольку о существовании кварков еще не было известно, это важное открытие вплоть до 1960-х годов считалось второстепенным.

ПАРАДОКС ФЕРМИ: ЕСТЬ ТАМ КТО-НИБУДЬ?

Изучение неба стало предметом не только астрономии, но и других областей физики. Обычные люди также испытывали к этой теме большой интерес. Научно-фантастические романы и начинавшие появляться фильмы способствовали распространению в американском обществе представления о том, что инопланетяне существуют и приходят из других миров, чаще всего — с Марса. В конце концов даже физики утверждали, что нашей планеты достигают космические лучи, несущие неизвестные частицы и электромагнитные волны, которые могут заключать в себе послания какой-нибудь далекой — и более развитой — цивилизации. Ферми, опираясь на возможность развития разумной жизни на какой-либо из мириад планет Вселенной, считал вполне вероятным, что инопланетяне посылают нам сигналы или даже могут прилететь с визитом. Так зародился парадокс Ферми: противоречие между высокой вероятностью существования разумных цивилизаций во Вселенной и отсутствием тому эмпирических доказательств.

Парадокс Ферми был сформулирован летом 1950 года во время неформальной беседы на обеде в Лос-Аламосе, на которой присутствовали Ферми, Теллер, а также Эмиль Конопинский и Герберт Йорк. Ученые рассматривали опубликованную в The New Yorker Magazine иллюстрацию Алана Дюнна, изображавшую вторжение инопланетян, и обсуждали свидетельства людей об НЛО. Вдоволь насмеявшись — обеды в Лос-Аламосе обычно проходили в неформальной обстановке, — Ферми вдруг посерьезнел и начал делать быстрые вычисления. Эти подсчеты предвосхитили ставшее позже известным уравнение Дрейка.