Факультет

Студентам

Посетителям

Когда частей оказалось больше, чем нужно для целого

В 1945 году группа американских физиков провела серию экспериментов по захвату мезонов космических лучей ядрами атомов легких элементов. И выяснилась неприятная вещь. Отрицательные «мю-мезоны», или «мюоны», как их стали величать впоследствии, вовсе не захватывались ядрами, как того требовала теория Юкавы. Даже в тех редких случаях, когда они вроде бы прилеплялись к ядрам, предварительно ободранным от электронов, то и тогда оказывалось, что новые частицы просто вращались по орбитам вокруг этих ядер наподобие отсутствующих электронов. И только. Получались как бы мезоатомы, то есть атомы, в которых электроны замещены мезонами. А тут еще подоспели теоретические расчеты Ферми и Теллера, которые показали, что мюоны на редкость «ленивые» частицы.

Они в десять миллионов раз слабее, чем нужно, взаимодействовали с нуклонами. А раз так, то быть выразителями ядерных сил, как предсказывала теория Юкавы, они никак не могли.

Вот тебе и раз! Физики не скрывали Своего огорчения. Во-первых, ломалась удобная теория, а во-вторых, непонятно становилось, что же собой тогда представляют мюоны?

Получалось, вместо того, чтобы прояснить и без того не слишком ясную картину элементарного строения Вселенной, новые частицы ее только еще более запутали. Ведь если они не «заведуют» ядерными силами, то они вообще лишние!

А может быть, теоретические мезоны Юкавы и мюоны, пойманные в космических лучах, не одно и то же?..

Так оно и оказалось. В 1947 году было высказано предположение, что мезонов должно существовать два сорта. Один — состоящий из солидных, энергичных и тяжелых мезонов, предсказанных Юкавой. Другой же — из тех ленивых частиц, что были обнаружены в космических лучах. Они могли получаться в результате, например, распада тяжелых мезонов Юкавы в атмосфере Земли…

Если это так, то тяжелые мезоны надо было искать выше, за пределами атмосферы, в первичном космическом излучении.

Физики так и поступили. И прошло совсем немного времени, когда, запустив в Боливийских Андах пачку фотопластинок на воздушном шаре, они обнаружили на одной из них неизвестный след, который вполне можно было приписать более тяжелому мезону. По следу физики определили, что новичок не в 207, а в 270 раз тяжелее электрона. Он весьма активно реагировал с ядрами и распадался в точном соответствии с прогнозом теоретиков.

Новая частица тут же получила название пи-мезона, или пиона! И вскоре их уже во множестве получали на ускорителях и изучали, изучали досконально. Пионы так энергично взаимодействовали с протонами и нейтронами, что физики только руки потирали от удовольствия. Уж на этот раз теоретический мезон Юкавы обнаружен окончательно.

Теперь у них, у физиков, есть все, чтобы построить непротиворечивую модель атомного ядра. Все! И даже чуть-чуть больше, чем нужно.

Забегая вперед, скажу: с тех пор прошло примерно тридцать лет. Но и по сей день роль мю-мезонов, или мюонов, в общей картине строения материи не очень ясна. Физики неплохо изучили эти частицы. Знают их жизнь, продолжающуюся в среднем чуть больше двух микросекунд. Мюоны оказались полностью подобны электронам, но потяжелевшими в 207 раз. Родилась даже целая отрасль науки «мезохимия», изучающая свойства мезоатомов и имеющая, по мнению специалистов, большое и интересное будущее. Но вот что делают мюоны в общем круговороте частиц, пока непонятно!

По современной классификации, о которой речь впереди, мюоны перестали даже вообще относиться к семейству мезонов. Вместе с электронами, нейтрино и антинейтрино их числят в группе элементарных частиц, не обладающих сильным взаимодействием, так называемых лептонов.

Кстати, а откуда взялись нейтрино? Вы помните, как Резерфорд, исследуя радиоактивность, обнаружил три сорта лучей: альфа-лучи, бета-лучи и гамма-лучи. Продуктами бета-распада оказался поток электронов, вылетающих из атомных ядер.

Я не говорю уже о том, что факт вылета электрона из ядра был сам по себе непонятен. В положительно заряженном ядре электронов быть вроде бы не должно! Только протоны и нейтроны. В конце концов физики согласились, что в ядрах атомов радиоактивных элементов нейтроны почему-то в один прекрасный момент выбрасывают неизвестно откуда взявшиеся у них электроны и превращаются при этом в положительно заряженные протоны. Понятно, что, выскакивая из ядра, электроны каждый раз уносили с собой некоторую часть запасенной там энергии. Грубо говоря, вылетающий электрон толкал ядро. При этом ядро должно было приобрести импульс, равный по величине импульсу вылетевшего электрона и направленный в противоположную сторону. Точь-в-точь как при вылете снаряда из ствола пушки…

Но когда импульсы измерили, оказалось, что они далеко не равны. «Отдача» была больше «толчка»…

Согласитесь, что столько несоответствий для одного электрона — это что-то многовато. Физики забеспокоились. Зашатался один из наиболее общих законов природы — закон сохранения энергии.

Единственный выход нашел Паули. Он предположил, что при бета-распаде из ядра вылетает не один электрон, а вместе с еще какой-то частицей — маленькой, электрически нейтральной и с массой чуть ли не равной нулю. Обнаружить такую частицу даже самым чувствительным прибором было поистине невозможно. Но именно такая крошечная добавка спасала положение.

Гипотезу Паули подхватил итальянский физик Энрико Ферми. Он назвал частицу-малютку «нейтрино», что означало по-итальянски «нейтрончик», и с ее помощью построил теорию бета-распада, в которой не было никаких несоответствий, кроме одного… Сколько ни старались физики-экспериментаторы поймать частицу-невидимку, поймать нейтрино им не удавалось ни в одном опыте. Правда, Ферми предупреждал, что его «теоретическое дитя» так слабо взаимодействует с веществом, что может пронизывать звезды и планеты бесследно. И все же красивая теория «повисла в воздухе». Вы ведь понимаете сами, что никакая, даже самая распрекрасная, теория не может быть признанной, пока ее не подтвердит опыт. Лишь в 1956 году, изучая излучение атомного реактора, физикам удалось подтвердить экспериментально существование нейтрино.

Между тем самый метод — придумывать частицы и сваливать на них возникающие теоретические трудности — физикам понравился. И скоро вы увидите, что из этого получилось.

Источник: А.Н. Томилин. В поисках первоначал. Издательство «Детская литература». Ленинград. 1978