В делении сила. Ферми. Ядерная энергия - [35]

Компьютеры станут ключом для решения задач.

Энрико Ферми

Чикагские студенты Ферми собрали конспекты его лекций и семинаров и издали несколько книг, которые стали широко известны и долгие годы использовались для изучения физики: «Ядерная физика» (1949), «Элементарные частицы» (1951), «Термодинамика» (1958), «Лекции по квантовой механике» (1961). Последние два издания были опубликованы Чикагским университетом уже после смерти Ферми. В главе 10 своего знаменитого учебника по ядерной физике Ферми давал превосходное описание космических лучей, показав глобальное видение физики и сделав первые шаги в только что открытой области, соединявшей физику и астрономию.

ПРОБЛЕМА МЕЗОНА

После окончания войны стали публиковаться результаты исследований итальянских научных групп, которые годами ставили опыты по распаду мезонов и их ядерному поглощению и наблюдали поведение, отличное от ожидаемого. В январе 1946 года, как только стало возможно отправлять письма в Италию, не вызывая подозрений, Ферми возобновил переписку с Амальди, который еще оставался в Риме. В конце года Амальди приехал на три месяца в Вашингтон и рассказал Ферми об опыте, проделанном Марчелло Конверси, Этторе Панчини и Оресте Пиччоне. Они собирались опубликовать его и произвести революцию в физике частиц. Интерес Ферми к мезонам разгорелся с новой силой.

Юкава и его коллега Окаяма пришли к выводу, что электромагнитное поле ядра должно влиять и на захват, и на распад мезона. Таким образом, мезоны с положительным зарядом должны распадаться до того, как их поглотит атомное ядро (тоже положительно заряженное), отталкивающее их, в то время как отрицательно заряженные мезоны, скорее всего, не распадались, а поглощались атомными ядрами. Если р — протон, а n — нейтрон, то реакции, которые Юкава выявил для π — мезонов с положительным и отрицательным зарядом, влияющих на ядра, были следующими:

n → p + π ; π + р → n

р → n + π' ; π' + n → р.

Отношение между нейтронами и протонами, которые обменивались пионами (пион — это л) в модели Юкавы, объясняло, почему атомное ядро остается целым. Однако эксперименты Конверси, Панчини и Пиччони поразили научное сообщество, показав, что в теории Юкавы было несоответствие: мю-мезотроны казались скорее разновидностью тяжелых электронов, чем мезонами. При столкновении отрицательных мю-мезотронов с ядрами железа поглощение происходило до распада, но когда опыт повторялся и мю-мезотроны сталкивались с графитом, то и отрицательные, и положительные мезотроны распадались и испускали электрон и позитрон соответственно. Почему отрицательно заряженные мезотроны не были захвачены любым атомным ядром, положительным по определению? Почему предсказанное Юкавой поведение мезонов настолько отличалось от поведения мю-мезотронов в космической радиации?

Как было доказано несколько лет спустя, после того как Коуэн и Рейнес обнаружили нейтрино, мюоны космической радиации могли быть захвачены ядром, испуская при этом нейтрино, как правило

μ + А → В + ν,

или могли распадаться на электрон и два нейтрино:

μ' →е^- + νˉ + V.

Таким образом, поведение мюонов и мезонов в присутствии ядер было совершенно разным. Сегодня нам известно, что мюоны являются лептонами, а не мезонами.

В 1939 году Ферми уже изучал аномальное поглощение космических лучей в воздухе. В 1947 году он опубликовал в журнале The Physical Review две статьи на эту тему. Первая была написана в сотрудничестве с Теллером и Вайскопфом, которые в Массачусетском технологическом институте пришли к такому же выводу, а вторая — только с Теллером. Ферми анализировал взаимодействие р-мезотронов с графитом и констатировал, что время захвата мезотрона в самой нижней орбитали углерода не меньше времени спонтанного распада (порядка 10^-6 с), хотя это и противоречило ожиданиям (примерно 10^-13 с). Таким образом, он доказал, что взаимодействие р-мезотронов с атомными ядрами намного меньше, чем можно было ожидать от μ-мезонов Юкавы, или пионов, переносчиков сильного взаимодействия. Ферми выявил, что р-мезотроны космической радиации ведут себя не так, как мезоны Юкавы. Вскоре после этого Бете и Маршак выступили в пользу гипотезы о том, что это два разных мезона, как и предполагал Ферми.

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.