Ядерный иллюзион

Атомное ядро не похоже ни на один из знакомых нам предметов. Но для описания событий, совершающихся в микромире, удобно пользоваться простыми моделями ядер, иллюстрирующими какие-нибудь их свойства. Давайте и мы прибегнем к этому испытанному способу. Я предлагаю моему читателю вообразить себя на арене цирка. Со всех сторон — ряды кресел. А теперь мысленно заполните их протонами и нейтронами. Перед вами простейшая, грубая, но наглядная модель атомного ядра, в котором нуклоны (то есть ядерные частицы — протоны и нейтроны) расположены на своих круговых орбитах.

Однако сравнение это чисто внешнее. Зритель, которому не понравилось представление, волен в любой момент или, если он культурный человек, дождавшись перерыва, встать и уйти домой. А ядерные нуклоны не могут так просто покинуть свои орбиты. Их удерживают ядерные силы. Не подумайте, что они жестко «привязывают» или «приклеивают» нуклоны к своим местам. Предположим, что цирк заполнен не простыми зрителями, а жонглерами, которые, сидя на своих местах, непрерывно перебрасываются шариками с несколькими ближайшими соседями. Скажите, может ли хоть один из них покинуть свое место, не нарушив слаженной работы всего коллектива?

Нуклоны в ядрах тоже непрерывно обмениваются «шариками». Их реквизит чаще всего пи-мезоны, частицы в семь раз более легкие, чем они сами. Коллективное «жонглирование» и связывает нуклоны в единый ядерный ансамбль.

Много разных фокусов можно совершать с атомными ядрами, забрасывая их мезонами. Например, отрицательный мезон, влетая в ядро, может выбить из «рук» одного участника положительно заряженный мезон. Именно такую ядерную реакцию и изучала группа ученых Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований в Дубне.

Вот на что они обратили внимание. Если рассматривать под микроскопом эмульсию, облученную отрицательными мезонами, то среди следов заряженных частиц, иногда бледных и прерывистых, иногда «жирных» и четких, среди разного типа «звезд» — свидетелей ядерных катастроф — довольно часто попадутся звезды только с одним выходящим мезонным лучом. Ядро всегда покидает положительный мезон.

А где же второй, отрицательный? Поиски ответа на этот вопрос привели к открытию нового удивительного типа превращений, совершаемых мезонами с атомными ядрами.

А ведь вполне можно было и отмахнуться от этого обстоятельства! Мало ли причин, из-за которых звезда может «потерять» второй мезонный луч? Отрицательный мезон может застрять в ядре, превратиться в нейтральный мезон, не оставляющий следов в эмульсии… Но ученым не давала покоя одна мысль: а что, если из ядра вылетает тот же самый, попавший в него мезон, но переодетый в электронную одежду противоположного знака? Предположение это казалось маловероятным — ведь мезон должен сначала избавиться от своего отрицательного заряда, а только потом стать положительным, то есть дважды перезарядиться. И все-таки ученые решили поставить специальный опыт.

Стопку эмульсионных слоев размером с небольшую книжку поместили в пучок положительных пи-мезонов, предварительно снизив их энергию настолько, чтобы они уже не могли выбивать из атомных ядер новые мезоны. Теперь звезды с одним выходящим отрицательным мезоном могли возникать только за счет двойной перезарядки мезонных снарядов в ядре.

100 000 мезонов сделали свои, пометки на страничках эмульсионной книжки. И вот обнаружена первая звезда, потом еще одна и еще… Три десятка положительных мезонов, пролетая через ядра, превратились в отрицательно заряженные античастицы. Вскоре установили, что превращение может происходить и в обратную сторону: отрицательно заряженный мезон, побывав в ядре, превращается в частицу с положительным зарядом.

Пропали протоны

Ядерная реакция двойной перезарядки — это новый тип общения пи-мезонов с атомными ядрами. Наблюдая за встречами мезонов с ансамблем нуклонных жонглеров и подмечая характер этих взаимоотношений, ученые изучают свойства ядерных сил.

Последим и мы за отрицательным мезоном. Влетев в ядро, он сталкивается сначала с одним протоном, затем с другим. В результате оба протона теряют свой положительный заряд и превращаются в нейтроны. Но, теряя заряд, нуклоны приобретают дополнительную энергию, которую мезон сообщает им при толчке, и почти всегда легко покидают ядро. А что же мезон?

Положительным зарядом, отобранным у первого протона, он нейтрализует свой отрицательный заряд, а потом заворачивается в положительно заряженное покрывало, стащенное со второго. Как правило, у мезона еще хватает сил выбраться из толпы нуклонов и перевалиться через верхний край цирковой чаши. (Ведь заряженная частица может покинуть ядро, только преодолев электрический барьер). Тогда-то в эмульсии и появляется звезда с одним выходящим мезонным лучом, прочерченным уже положительной частицей.

Значит, в реакции двойной перезарядки «страдают» лишь два нуклона. Какой же интерес представляет этот небольшой эпизод? Неужели потеря всего двух участников может существенным образом повлиять на работу остальных?

Да. Если мезон лишает ядро двух единиц заряда, то перед нами ядро уже другого химического элемента, расположенного на две клетки левее в Периодической таблице Менделеева. А может быть, это даже новый, неизвестный его изотоп?

Но еще сильнее изменить ядро может отрицательный пи-мезон с энергией в сотни мегаэлектронвольт. Ворвавшись в него, нарушитель спокойствия может вступить в ядерную реакцию рождения нового мезона с первым же попавшемся ему на пути протонным жонглером. То есть выбить из его «рук» положительно заряженный мезон. Вот ядро и потеряло один положительный заряд, потому что протон при этой экзекуции превратился в нейтрон.

Однако наш мезон еще полон сил, и, прежде чем покинуть ядро, он в состоянии сделать удачные удары по двум протонам. Удачные, в том смысле, что он сможет дважды перезарядиться. Значит, ядерный коллектив недосчитается еще двух протонов, и заряд ядра в сумме изменится уже на три единицы! Из одной точки в эмульсии теперь должны разбегаться два луча — следы двух положительных мезонов: родившегося в ядре и того, который вызвал весь этот переполох. Пока такое ядерное превращение не обнаружено, но в принципе оно возможно, и ученые продолжают свои поиски.

Необычный фокус

Когда в ядро попадает пи-мезон с положительным зарядом, его жертвами становятся два нейтрона. Они превращаются в протоны и благодаря довольно сильным пинкам мезона успешно преодолевают электростатический барьер. Ядро стало легче на два нуклона, но заряд его не изменился. Получилось ядро более легкого изотопа того же самого химического элемента.

Звезда, созданная пи-плюс-мезоном, гораздо наряднее, чем от пи-минус-мезона. У нее еще два дополнительных луча — протонных. Но так бывает не всегда. Приблизительно каждая двадцатая звезда не имеет протонных следов. А это означает только одно: протонам удалось устроиться в старом ансамбле. Что же получилось?

Мезон влетел в ядро и вылетел из него. А само оно, не потеряв ни одного нуклона, превратилось в изотоп нового элемента с зарядом на две единицы больше! Вот это фокус! Вероятность таких событий можно увеличить, если использовать очень медленные мезоны. Тихо вкатываясь в ядро, мезон не вытолкнет из него ни одной частицы. Скромные по внешнему виду звезды, нарисованные в эмульсии положительными и отрицательными мезонами, — отголосок сильных изменений атомных ядер в реакции двойной перезарядки.

Волшебный ключик

Не известен никакой другой процесс, в результате которого ядро могло бы, почти незаметно для себя, так сильно измениться. Двойная перезарядка — деликатная ядерная реакция, позволяющая переделывать ядра, почти не нарушая работы ядерных жонглеров. Они только меняются местами.

Какое же это имеет значение? — снова спросите вы. И мы снова ответим: очень большое. Жонглирование мезонами объединяет протоны и нейтроны в стабильный коллектив. Но так происходит не всегда, а только при определенном соотношении между количеством тех и других. Например, ядерные силы бесконечно долго сдерживают сотни нуклонов в тяжелом ядре урана, но с трудом и только на короткое время могут удержать всего восемь частиц в легком ядре гелия.

Из бесконечного числа возможных сочетаний протонов и нейтронов лишь незначительная часть образует стабильные ядра. И невозможно заранее предсказать, возникнет или нет слаженный коллектив из такого-то количества нуклонов. Нет строгой теории ядерных сил. Мы еще не в состоянии облечь в точную математическую форму это необыкновенно сильное влечение нуклонов друг к другу. Всемогущая математика пока бессильна. Подсказать ей это может только эксперимент. Благодаря ему мы знаем, что нейтроны и протоны располагаются в ядрах в строгом порядке. Знаем, что ядра с определенными заполненными оболочками намного стабильнее других. Реакция двойной перезарядки в руках экспериментаторов — волшебный ключик, которым они могут аккуратно вскрыть таинственный ядерный сундучок и заглянуть внутрь.

Механизм действия ядерных сил значительно сложнее, чем в нарисованной выше картине, и каким-то образом зависит от «упаковки» атомных ядер. Как раз эту зависимость и можно исследовать с помощью двойной перезарядки, изменяя упаковку ядер — получая «экзотические» ядра, которые приоткрывают для нас еще не исследованные возможности ядерных сил.

Обычно новые изотопы получают при бомбардировке ядер частицами с очень большой энергией. Ядро разрушается, и трудно заранее сказать, каков будет результат. Физики и химики перебирают получающиеся ядерные осколки в надежде обнаружить необычное сочетание нуклонов.

Как попасть в сундучок

Помните традиционный номер циркового иллюзиона? Фокусник стреляет в подвешенный под куполом цирка сундучок и превращает его в букет цветов или еще во что-нибудь. Двойная перезарядка мезонов позволяет проделывать удивительные фокусы с атомными ядрами, надо только суметь попасть мезоном в ядро определенного химического элемента.

Тонкие пластинки из металлического бериллия переложили слоями фотоэмульсии. И такую, похожую на слоеное пирожное, эмульсионную камеру поместили в поток отрицательных пи-мезонов. При точном попадании в ядро бериллия эмульсия фиксирует следы участников этого события. Не страшно, что не будет видно той точки, где оно произошло. По направлению следов нетрудно определить, где она находится, как легко догадаться по трещинкам на стекле, в какое место ударил камень.

Во что же может превратиться бериллиевый сундучок с нуклонами? Реакция двойной перезарядки изменит его заряд на две единицы. Посмотрим на Периодическую таблицу элементов. Два протона положены… ядру элемента гелия. Значит, ядро бериллия превратилось в ядро гелия. Но в какой его изотоп? А вот это уже не зависит от фокусника, то есть от экспериментатора. Если, например, случится так, что все нейтроны сумеют удержаться на своих местах, то будет открыт новый тяжелый изотоп гелия с девятью нуклонами. Вот как при удачной упаковке можно «нафаршировать» нейтронами ядро гелия, которое обычно, в устойчивом состоянии, содержит только два нейтрона и два протона.

Известные сейчас тяжелые изотопы водорода — дейтерий и тритий — содержат два и три нуклона. Оказывается, процесс двойной перезарядки на бериллии может привести к образованию новых, еще более тяжелых изотопов водорода.

Прошивая ядро, мезон разваливает его на две почти одинаковые половинки. Не прерывая работы, ансамбль нуклонных жонглеров перестраивается таким образам, что в одной группе три нейтрона перебрасываются шариками с одним протоном, а в другой — четыре нейтрона со вторым из оставшихся протонов.

При удачном стечении обстоятельств этот ядерный фокус закончится превращением ядра бериллия в два необычных ядра водорода — с тремя и четырьмя нейтронами! Возможно, в будущем эти сверхтяжелые изотопы водорода и гелия будут получены в лаборатории.

Впервые в ядерном иллюзионе

С помощью двойной перезарядки отрицательного пи-мезона удалось на мгновение превратить ядро гелия-3 в «кусочек» нейтронной материи. До сих пор никаким образом не удавалось обнаружить постоянно существующей связанной системы ни из двух, ни из четырех нейтронов. И вообще неизвестно, существует ли нейтронное вещество. Его ищут в космосе, ищут и на Земле. Астрофизики предполагают, что эволюция больших горячих звезд чаще всего заканчивается превращением их в нейтронные звезды: электроны, под большим давлением втиснутые в атомные ядра, превращают все протоны в нейтроны. В таких звездах нейтроны удерживаются вместе огромными гравитационными силами.

А могут ли ядерные силы создать стабильный нейтронный коллектив? Могут ли сработаться одинаковые нуклонные жонглеры? Протонам это явно не под силу: электрические заряды одинакового знака расталкивают их. Нейтронам электрическое отталкивание не угрожает. Но для нейтронных ядер есть свои запреты (слишком сложные, чтобы здесь о них говорить), и предсказать что-либо определенное пока невозможно. Однако опыт с гелием-3 показал, что ядерные силы, возможно, на какой-то миг могут объединить три нейтрона в единый ансамбль.

Реакция двойной перезарядки мезонов открыла новую возможность для поисков многонейтронных систем — например, из шести или даже восьми нейтронов.

Просматривая эмульсионные слои, ученые проследили за судьбой двух ядер азота, испытавших двойную перезарядку отрицательных мезонов. Из четырнадцати нуклонов этого ядра только восемь, перегруппировавшись в ядро бора, продолжали свое жонглирование. (Под микроскопом хорошо виден характерный след этого ядра.)

Остальные шесть устремились навстречу новым ядерным приключениям. Но всегда ли будет случаться так? Может быть, иногда они все-таки образуют нейтронное ядро? Только дальнейшие исследования дадут ответ на этот вопрос.

Автор: В. Черногорова.