Невероятные пары — космионы

Уже много лет занимаются ученые аннигиляцией легких частиц — электрона и его антипода, положительно заряженного позитрона. Созданы первые «фабрики» и тяжелых античастиц — антипротонов и антинейтронов. Но чудесный мир ядерных и элементарных частиц отнюдь не исчерпал себя — открытия следуют одно за другим. Действительность оказалась гораздо разнообразнее всякого рода схем, предлагаемых учеными, которые стремятся упростить сложную структуру микромира, свести ее к простейшим моделям. Но все не так, как хотелось бы ученым, и стремление «к простоте» отнюдь не свойственно природе!

Так и удивительные пары, существование которых предсказали физики — доктор физико-математических наук И. С. Шапиро и его ученики Л. Н. Богданова, О. Д. Далькаров и Б. О. Кербиков, первоначально вызвали лишь скептическое отношение. А между тем ученые открыли новый вид ядерных частиц, вернее, их объединений. Сделали это на бумаге, за пять лет до экспериментального открытия связанных нуклон-антинуклонных пар, в который раз проявив уверенное стремление современных теоретиков смотреть далеко вперед.

Надо сказать, что к моменту начала работ И. С. Шапиро и его маленькой группы ситуация в физике была такова, что самые экстравагантные теории и модели уже не вызывали ни почтительного удивления, ни взрыва негодования физических пуристов. Правда, на этот раз и для того и другого поводы были. И. С. Шапиро предположил, что тяжелая частица с ее антиподом вместо привычной аннигиляции, сблизившись, некоторое время существуют воедино, образуя вполне стабильные (разумеется, с точки зрения микромира) образования!

И тем не менее это предположение имело под собой вполне солидные основания, почерпнутые из известных законов квантовой механики.

Действительно, электрические разноименные заряды неудержимо притягиваются друг к другу, и чем ближе они, тем сильнее силы, стремящиеся их объединить. Нечто подобное ждет и частицу с античастицей. Разница лишь в том, что для частиц кулоновских дело кончается появлением электрической нейтральной системы, а частицы и античастицы обречены на полное исчезновение — аннигиляцию.

Но — отметим весьма существенное «но» — существуют вполне стабильные системы, называемые атомами, где два электрических заряда, равные и противоположные по знаку, сколь угодно долго находятся в непосредственной близости друг к другу. В этом случае электрические силы взаимодействия, стремящиеся поелику возможно сблизить частицы — ядро атома и электроны,— создают центростремительные силы, удерживающие электроны на их «вечных» круговых орбитах.

Почему бы не существовать подобным же объединениям в мире ядерных истиц и античастиц? — спросили себя ученые. Рассчитали и получили, что для электрона и позитрона такой альянс вполне возможен. И, действительно, экспериментаторы вскоре обнаружили это соединение — самый «легкий атом», ядро которого изображает позитрон, а оболочка — электрон. Время жизни позитрония выражается в долях микросекунды, что делает его истинным Мафусаилом в эфемерном мире различных микрообразований. Наконец, в 1970 году физики создали также предсказанный теоретиками оригинальный атом, в котором место электрона занял антипротон.

Но еще раньше группа И. С. Шапиро опубликовала почти все свои основные выкладки, заявив, что могут существовать относительно стабильные пары нуклон-антинуклон, связанные только ядерными силами. Ведь и позитроний и Р-атом обязаны своим существованием силам электрическим, кулоновским. А здесь основная нагрузка должна приходиться на ядерные силы. И суть дела заключается в том, что силы эти развиваются лишь на очень коротких расстояниях.

Даже орбита Р-атома, гораздо меньшая, чем у обычных атомов, в 60 раз превышает область действия ядерных сил.

В том-то и заключалась новизна мыслей теоретиков и причина скепсиса остальных ученых. Сближающиеся частицы как бы находятся между двух огней. Пока они относительно далеки, действуют кулоновские силы. Вблизи — начинается аннигиляция. А что происходит на расстояниях между радиусом Р-атома и областью аннигиляции частиц-антиподов? Может быть, на какую-то долю времени, в каком-то участке микропространства частицы сумеют удержаться, образуя соединенную пару, никогда еще не попадавшуюся в многочисленные ловушки экспериментаторов? Ученым предстояло оценить вероятность этого события в жизни ядерных частиц и сделать какие-то количественные оценки.

Трудности теории и сложность эксперимента

Сейчас, когда открытие состоялось, иногда говорят об очевидности выводов физиков-теоретиков. Но почему же тогда добрых пять лет эти выводы никому не были нужны? Почему они не возбудили интереса? Вследствие своей очевидности? Отнюдь нет! Как раз их новизна и неожиданность создали атмосферу недоверия. А между тем выкладки были удивительно изящны математически и физически. Часто говорят об ювелирных опытах, об элегантных экспериментах. К сожалению, расчеты теоретиков весьма сложны, и их элегантная простота недоступна взору непосвященных.

Лишь парадоксальность окончательных выводов может привлечь к ним внимание «ненаучной общественности!» Скажем, многих ли интересовали сложнейшие теории Дирака? Но его утверждение о том, что вокруг нас существует целый «океан» частиц с отрицательной энергией, возбуждало воображение каждого, кто знакомился с выводами сложнейшей теории. Именно удивление неспециалистов создало первоначальную мировую славу теории относительности, хотя ее математический аппарат был выше понимания даже многих физиков.

Подобных примеров много. Но вернемся к расчетам. Надо было доказать, что устремившиеся друг к другу частицы смогут удержаться на орбите до наступления аннигиляции. И расчет показал, что это возможно: радиус области аннигиляции составляет примерно 2 * 10^-14 сантиметра, а ядерные силы дают о себе знать гораздо раньше, на расстояниях, больших в десять раз. Значит, искомая вероятность существует! Более того, ученые оценили время, отведенное природой для жизни нуклон-антинуклонных пар, связанных ядерными силами (американские ученые предложили называть эти пары космионами). Оказалось, что составляет оно 10^-20 секунды, что опять-таки немало для микромира. Конечно, не долгожитель, но и не младенец!

Более точные расчеты дали картину того, что происходит с парой частиц-антиподов. Так вот, оказалось, что на расстоянии 60 ферми (1 ферми = 10^-13 сантиметра) сближающаяся пара может образовать Р-атом. Из этого состояния, испустив гамма-квант определенной энергии (он-то и служит индикатором процесса), пара переходит в ядерное состояние, когда ее удерживают лишь ядерные силы. Ведь по сути дела космион — не атом, а особое, сложное ядро. Просуществовав в виде ядра, радиус которого составляет примерно один ферми, частицы приступают к третьему этапу взаимодействия. На этот раз они аннигилируют и пропадают начисто, оставив после себя многочисленное потомство в виде других частиц — нейтральных и заряженных пионов, числом от четырех до пяти, и различных гамма-квантов.

Таков путь некоторых, избранных пар тяжелых частиц, указанный теорией. Пора эксперимента настала, увы, не сразу. Правда, другим теоретикам, как мы знаем из истории физики, пришлось ожидать еще дольше. На счастье физиков, в нескольких лабораториях мира появились сейчас источники антипротонов. Более того, заработали установки на мощных пучках частиц и античастиц.

Кстати, это тоже кое о чем говорит. Ведь еще недавно сенсацией были эксперименты, где ученые сумели создать всего лишь несколько антипротонов или антинейтронов. А тут — пучки! Так что время восторгов кончилось, началась обычная работа. Здесь-то и дошло дело до проверки гипотезы теоретиков. Вернее говоря, никто ее не собирался проверять.

Экспериментаторы попытались убедиться в правильности кардинального закона природы — так называемой зарядовой независимости. Сводится она к тому, что ядерные силы полностью безразличны к электрическим свойствам нуклонов. Это означает, что в результате неизбежной аннигиляции (а она должна наступить) число появившихся нейтральных пионов будет равно сумме этих же частиц с отрицательным и положительным зарядом (при аннигиляции рождаются все виды пионов).

Сами по себе нейтральные пионы учету поддаются трудно, поэтому ученые регистрируют продукты их распада — гамма-кванты, появляющиеся по двое на каждую исчезнувшую частицу. Таким образом, число зарегистрированных гамма-квантов, а они прекрасно улавливаются специальной аппаратурой, должно в точности соответствовать общему числу всех заряженных пионов.

Однако этого как раз и не получилось. Гамма-квантов оказалось гораздо больше, причем эти избыточные частички излучения обладали вполне определенной энергией, выстраиваясь «по ранжиру».

Вообще говоря, парадокс эксперимента можно объяснить двояко: либо права гипотеза И. С. Шапиро, либо нарушаются фундаментальные законы физики. Начиная с 1974 года, волна подобных экспериментов прокатилась по всем лабораториям, где в распоряжении ученых имелись пучки антипротонов. Основные предположения теоретиков подтвердились, связанные пары нуклон-антинуклон вполне реальны, их можно получить и зарегистрировать.

Первоначальные успехи подогрели физиков. И теоретики строят более сложные модели удивительных ядер — тройных, где два нуклона объединены с одним антинуклоном, а также своеобразную «альфа-частицу», где воедино связаны два нуклона и два разнообразных антинуклона.

Подобные расчеты чрезвычайно сложны — ведь приходится заниматься проблемой взаимодействия многих тел. А математика до сих пор не имеет законченного аппарата для точного решения этой задачи.

А как же с антимирами?

В самом деле, а зачем все эти фокусы? — может непочтительно спросить человек любознательный, но далекий от науки. Хорошо, пусть доказано, что на какое-то короткое время нуклоны с антинуклонами могут объединиться, создав ядерную пару. Но кому практически нужны эти курьезные ядра — чрезвычайно мало живущие и весьма редкие гости в микромире.

Любопытство ученых в данном случае имеет свои определенные основания. Дело в том, что, как это ни странно, одним из слабо разработанных разделов теоретической физики является физика ядерная.

Занятный факт! Прошло более ста лет с того времени, когда люди узнали, что ядра атомов состоят из частиц двух сортов. Тонны бумаги потратили с тех пор теоретики, множество разнообразнейших опытов провели экспериментаторы, а во многих отношениях «воз и ныне там» — различного рода закономерности ядерных сил и взаимодействий по-прежнему остаются неизвестными.

Беда ядерной физики заключается в том, что единственная в природе простейшая система двух нуклонов — дейтон (ядро тяжелого водорода, состоящее из протона и нейтрона) — информативно бедна. У этой системы существует лишь одна энергетическая возможность, один энергетический уровень.

А спектр нуклон-антинуклон содержит около двадцати таких уровней. С их помощью можно получить богатую информацию о многообразии свойств ядерных сил и взаимодействий, познать структуру ядра, выявить множество новых закономерностей. Эти пары являют собой «живые» модели, дающие интереснейшие возможности для разнообразных исследований. Поскольку силы, действующие между обитателями ядер, во всех случаях одни и те же, модель позволяет судить о силах, действующих в обычных атомных ядрах.

Любопытно, что теперь, после расчетов физиков-теоретиков, снова объединяются давно разошедшиеся на две обособленные науки ядерная физика и физика элементарных частиц. Ведь пара нуклон-антинуклон не что иное, как… один из видов тяжелых мезонов! Изучаются они, как элементарные частицы, а держатся они на тех же силах, которые проявляются в атомных ядрах. (Подозревают, что недавно обнаруженные в экспериментах тяжелые мезоны и есть эти самые пары.)

Короче говоря, гипотеза, точнее, теория и ее прекрасное подтверждение породили множество надежд у физиков, которые всеми силами стараются «выжать» максимум информации из оригинальных конструкций, создаваемых экспериментаторами по рецептам теоретиков.

Автор: Б. Смагин.