Загадки микромира

Все остальные интересующие физика сведения он получает из таблицы элементарных частиц, составленной по «паспортным» данным каждой из них. Загляните в эту таблицу, и вам сразу же бросится в глаза, что один вид частиц отличается от другого в первую очередь по величине массы, времени жизни или способу распада.

Масса частиц изменяется в огромном диапазоне от ноля (у нейтрино и фотона) до величины, равной полутора тысячам масс электрона у самого тяжелого Ω (омега) — гиперона. А время жизни — от 10^–23 секунды у ро-мезона до 10²⁸ лет у протона!

Но какое унылое однообразие в графе «Электрический заряд»! Нейтральная, отрицательно и положительно заряженная — вот и весь диапазон изменений. Правда, слова «отрицательно» и «положительно» заряженные означают лишь знак заряда и ничего не говорят о его величине. Может быть, эта величина варьируется так же сильно, как масса и время жизни?

Для заряда, однако, природа сделала приятное исключение. Частица либо вообще не имеет заряда, либо же у нее заряд в точности равен заряду электрона.

Просматривая таблицу элементарных частиц, мы уже заметили, что одни частицы легче, другие тяжелее; одни живут долго, а другие только мгновение. Но таблица ничего не говорит об их бурной и наполненной удивительными событиями жизни.

Элементарные кирпичики материи рождаются либо в ядерных катастрофах, при столкновении частиц огромных энергий, либо же в «спокойном» радиоактивном распаде. Нестабильные частицы заканчивают свои «дни» распадом на более легкие. Иногда их захватывают атомные ядра вещества, в котором они останавливаются.

Элементарные частицы испытывают превращения при взаимодействии друг с другом. Причем каждая частица проделывает это на свой лад. Именно в этом проявляется основное качественное различие между частицами.

По характеру их взаимодействия нуклоны и гипероны объединили в группу адронов. Ка-мезоны и пи-мезоны выделили в другую группу. А легкие частицы мю-мезоны, электроны и нейтрино — назвали лептонами.

Нуклоны не могут подменить ка-мезоны в ядерных реакциях. В гиперядре лептоны никогда не заменят гиперонов. Нейтрон не может распадаться так, как это делают «странные» частицы. А пи-мезон не может родиться в радиоактивном бета-распаде ядер.

Мало кто из сидящих в цирке догадывается, каким способом иллюзионист совершает тот или иной трюк. Но ни у кого это не вызывает ощущения непознаваемости. Все понимают, что аттракцион основан на определенных правилах, если хотите, своего рода законах, где ловкость рук соединяется с изобретательностью и фантазией.

Пока что физики похожи на зрителей цирка. Они не всегда знают, почему именно так ведет себя та или иная частица. Но, изучая микромир, физики поняли, что никакого хаоса в нем нет. Поведение частиц подчиняется четким, строгим законам.

Царство энергии

Наш рассказ об открытии элементарных частиц остановился на 1960 году, когда на руках у физиков оказалось около 30 сортов простейших кирпичиков материи и не осталось никаких сомнений в том, что в скором времени число их может удвоиться.

К этому времени физика элементарных частиц перестала питаться только сведениями, поступающими от исследователей космических лучей. В научных лабораториях появились мощные ускорители.

Уже в 1949 году в Институте ядерных проблем АН СССР начал работать самый мощный в то время ускоритель в мире. С его помощью физики узнали много нового о свойствах атомных ядер, о взаимодействии быстрых протонов и нейтронов с веществом. Полученные экспериментальные результаты позволили советским ученым через несколько лет решить проблему мирного использования атомной энергии. Пуск в 1954 году в Обнинске первой в мире атомной электростанции открыл новую эру в развитии энергетики.

В апреле 1957 года в подмосковном городе Дубна в Объединенном институте ядерных исследований был запущен новый ускоритель — синхрофазотрон, «производящий» протоны с энергией до 10 миллиардов электрон-вольт.

Ни в одной другой лаборатории мира еще не получали тогда частиц столь большой энергии. Ученым социалистических стран удалось проникнуть еще глубже в тайну строения материи. На этом ускорителе было открыто несколько новых элементарных частиц, в том числе одна из семейства гиперонов: анти-сигма-минус-гиперон.

Все частицы могут рождаться при столкновении любых двух частиц, например протонов большой энергии с атомными ядрами. А где все это происходит — в космосе ли, на границе ли с атмосферой Земли или в мишени ускорителя — не имеет принципиального значения. Правда, космические протоны обладают намного большей энергией, чем протоны, разогнанные на самых мощных ускорителях. Зато насколько удобнее работать с лабораторными пучками пи-мезонов, чем отлавливать их в космических лучах.

Уточняя паспортные данные частиц, физики обратили внимание, что большинство известных частиц живет дольше 10^–14 секунды. Меньше всех — около 10^–19 секунды — существует лишь одна частица под названием эта-мезон.