Коллайдер

Ядро оставалось тайной за семью печатями. Что его держит? Почему оно распадается, как распадается? Из-за чего одни изотопы менее устойчивы, чем другие? И почему это нейтронов в атомах, как правило, намного больше протонов? Что ядрам природных элементов как будто бы мешает вырасти больше определенного размера? Можно ли в лаборатории создать ядро любого заданного размера?

Одним из первопроходцев, пустившихся на поиски ответов на эти вопросы в смутные годы Второй мировой войны, стал Ферми. Он родился в Риме 29 сентября 1901 г. и с детства прослыл вундеркиндом. Маленький Энрико схватывал математику и физику с молниеносной быстротой. В 10 лет его к себе влекли тонкости геометрических уравнений вроде уравнения окружности. После трагической смерти старшего брата-подростка Энрико по-своему справлялся с горем: с головой ушел в книги, благодаря чему его знания теперь росли не по дням, а по часам. Долго не засиживаясь ни на школьной, ни на университетской скамье, в возрасте 21 года он уже был обладателем докторской степени Пизанского университета. В середине 20-х гг. Ферми успел побывать в Гёттингене, Лейдене и Флоренции, а потом пошел в Римский университет преподавать физику.

Важным вкладом Ферми в ядерную физику и физику элементарных частиц стала в 1933 г. первая математическая модель бета-распада. Ферми к ней подтолкнула гипотеза нейтрино, незадолго до этого впервые публично высказанная Паули на Седьмом Сольвеевском конгрессе. Паули объяснил, что, когда происходит радиоактивный распад ядра в бета-лучи, обязательно должна рождаться ускользающая от экспериментаторов незаряженная и почти невесомая частица, ответственная за недостаток энергии. Ученый сначала ее называл нейтроном, но когда был открыт настоящий, «тяжелый» нейтрон, Паули принял предложение Ферми и решил взять итальянскую уменьшительно-ласкательную форму. А Ферми принялся рассчитывать процесс распада. Хотя в его модели, как потом оказалось, отсутствовали некоторые важные звенья, в ней впервые была приоткрыта завеса над совершенно новой силой природы - слабым взаимодействием. Как раз эта сила вызывает превращения определенных частиц друг в друга, приводя к неустойчивости, например к бета-распаду.

Эмилио Сегре, физик, работавший вместе с Ферми, вспоминал: «Об этой теории Ферми впервые рассказал в кругу друзей, когда мы проводили рождественские каникулы 1933 г. в Альпах. Это было вечером, и все мы сидели на одной кровати в номере отеля; день был целиком отдан лыжам, и я едва мог сидеть тихо - все у меня болело после нескольких падений на фирне. Ферми полностью сознавал, сколь важного успеха он добился, и сказал, что это лучшая его работа и, как он думает, о нем будут помнить по этой работе»⁴³.

В модели Ферми бета-распад представляет собой процесс обмена между частицами, встретившимися в одной точке. Например, протон подходит к электрону и передает ему свой положительный заряд. Сам он при этом становится нейтроном, а электрон превращается в нейтрино. Или же протон может избавиться от своего заряда и стать нейтроном, дав также жизнь позитрону и нейтрино. Есть и третий путь: нейтрон дает протон, а спутниками идут электрон и антинейтрино (античастица нейтрино). В любом случае частицы подходят друг к другу поближе и делают передачу. Это как в футболе: к игроку с мячом подбегает футболист команды-противника, отбирает мяч и удаляется в неизвестном направлении.

В электромагнетизме два электрических тока (потоки зарядов) действуют друг на друга посредством обмена фотонами. Фотон - частица электрически нейтральная, а значит, в процессе взаимодействия передачи заряда не происходит. Благодаря фотонному обмену токи лишь могут начать - в зависимости от направления скорости зарядов - либо притягиваться, либо отталкиваться.

Если говорить на современном языке, фотон - это переносчик электромагнитного взаимодействия. Переносчики, в том числе фотон, относятся к классу частиц под названием бозоны. Мельчайшие кирпичики материи - как нам сегодня известно, это кварки и лептоны - все являются фермионами. Если фермионы - это кости и мускулы тела, то бозоны - это нервные импульсы, запускающие тело в ход.

Что касается слабых сил, Ферми заметил, что два «тока», один из протонов и нейтронов, второй из электронов и нейтрино, в процессе взаимодействия могут обмениваться между собой зарядом и менять свою сущность. То есть Ферми расширил понятие тока с течения движущихся зарядов на поток любых частиц, меняют они в процессе взаимодействия какие-то свои свойства или нет.