Загадки микромира - [14]
В этом зале сейчас совершится не видимое никому, но реально регистрируемое приборами великое «таинство» микромира — рождение элементарных частиц в момент столкновения ускоренных протонов с протонами мишени.
Дежурный оператор включает высокочастотный генератор, и ускоритель начинает работать. При каждом его «выдохе» порция быстрых протонов прошивает мишень. Удар — и аппаратура мгновенно опознает пáры новорожденных близнецов. Либо это протон и антипротон, либо нейтрон и антинейтрон, либо же резонансы и быстрые пи-мезоны.
Все это происходит в Дубне. А в такой же мишени на Серпуховском синхрофазотроне рождается одновременно еще больше частиц и в еще более богатом ассортименте. Число частиц, таким образом, зависит лишь от энергии налетающего протона.
Изменится ли что-нибудь, если облучить нашу мишень не протонами, а другими частицами?
В Ереване недавно запущен синхротрон, дающий пучок фотонов с энергией в 5 миллиардов электрон-вольт, или в 5 Гэв. Но и в Ереване, на этом мощнейшем ускорителе электронов, приборы сообщают то же самое. Катастрофа столкновения фотона с протоном заканчивается без потерь для элементарных частиц. Она лишь сопровождается фейерверком новорожденных мезонов, нуклонов и антинуклонов. И количество их опять определяется энергией налетающего фотона.
В современных чувствительных приборах физики получают полную информацию о результатах ядерной катастрофы: сколько возникло частиц, какие именно и с какой энергией.
В случае, когда атомным снарядам не хватало энергии для рождения антинуклонов, антипротонов и антинейтронов, все было очень просто. Происходящая реакция подчинялась закону сохранения энергии и еще одному закону — закону сохранения числа нуклонов.
Но когда энергии ускоренных протонов стало хватать и на рождение антинуклонов, на первых порах началась неразбериха. Закон сохранения числа нуклонов перестал выполняться в ядерных реакциях. Казалось, что процесс рождения новых частиц подчинялся только закону сохранения энергии. Во всем же остальном он был совершенно стихийным.
Энергия, энергия и еще раз энергия! Неужели в микромире она правит безраздельно, не ограниченная никакими законами и правилами?
На первый взгляд кажется, что все именно так и происходит. Сшибаются два протона. В результате реакции столкновения нарождается несколько новых протонов, а также — на радость экспериментаторов — целый сонм антипротонов, нейтронов, антинейтронов и мезонов. Что-то вроде игры в рулетку — забрасываешь свой протон и ждешь, что она тебе в обмен выкинет.
Вскоре физики подметили, что в этой азартной игре не может выпасть произвольное число очков. Есть и в ней свои строгие правила.
Согласно этим правилам физики приписали каждому нуклону +1 очко, а антинуклону –1 очко. Мезоны получили 0 очков. Теперь даже первоклассник легко мог подсчитать, что во всех реакциях общее число очков до столкновения всегда было равно числу этих очков после столкновения.
Очки, которые получали нуклоны, антинуклоны и мезоны, физики назвали барионным зарядом этих частиц. Обнаруженное же правило игры — законом сохранения барионного заряда. Сколько бы ни сталкивались протоны с протонами, с нейтронами или с гамма-квантами, — после реакции возникало столько же новых нуклонов, сколько и антинуклонов.
«Этот закон, — писал профессор Я. Смородинский, — отражает фундаментальное свойство атомных ядер, их устойчивость. При малейшем нарушении этого закона протоны или нейтроны в ядрах исчезли бы, превратившись, например, в позитроны, нейтрино или мезоны. И самим своим существованием мы обязаны тому, что закон сохранения барионного заряда никогда не нарушается».
Есть и другие правила и законы, которым подчиняется рождение элементарных частиц, но сейчас мы не будем останавливаться на них. Перечисление их мало что прояснит в интересующей нас проблеме. Даже познав эти правила, физики не знают, как объяснить и понять эту бесконечную игру: сколько чего выпадет?
Но самое главное — не ясно, откуда берется весь этот ворох частиц, возникающих при столкновении?
Ударьте палкой по ковру — сотни пылинок запляшут в солнечном луче. И никого не взволнует вопрос: откуда они взялись? Всем ясно, что пылинки прятались в ворсинках ковра, пока палка не выбила их оттуда.
А можно ли спросить, где прятались частицы, возникающие на ускорителе при столкновении, например, протонов?
Нельзя. Это бессмысленный вопрос. Они нигде не прятались. Они родились в момент удара. Вспомним: когда протон в радиоактивном ядре превращается в нейтрон, электрон и нейтрино, не говорим же мы, что последние две легкие частицы прятались в ядре! Они просто возникли в момент превращения.
Физики уже давно знают, что протон может превратиться в нейтрон, а нейтрон — в протон. Пи-мезоны распадаются на легкие частицы; тяжелые резонансы — на «странные» частицы и обычные; гипероны и ка-мезоны — на протоны и нейтроны. В то же время протоны больших энергий, сталкиваясь с нуклонами мишени, рождают резонансы, гипероны, нуклоны и мезоны.
Эта взаимная превращаемость элементарных частиц, возможность их рождения и исчезновения неизбежно приводила к мысли о взаимной обусловленности их свойств. Создавалось впечатление, что в образ одной элементарной частицы вносят свой вклад все другие сограждане микромира.
