Неймовірні пари – косміони

Вже багато років займаються вчені анігіляцією легких частинок — електрона та його антипода, позитивно зарядженого позитрона. Створені перші «фабрики» і важких античастинок — антипротонів та антинейтронів. Але чудовий світ ядерних і елементарних частинок аж ніяк не вичерпав себе — відкриття слідують одне за іншим. Дійсність виявилася набагато різноманітніше всякого роду схем, запропонованих вченими, які прагнуть спростити складну структуру мікросвіту, звести її до найпростіших моделей. Але все не так, як хотілося б вченим, і прагнення «до простоти» аж ніяк не властиво природі!

Так і дивовижні пари, існування яких передбачили фізики доктор фізико-математичних наук В. С. Шапіро та його учні Л. Н. Богданова, О. Д. Далькаров і Б. О. Кербиков, спочатку викликали лише скептичне ставлення. А тим часом вчені відкрили новий вид ядерних частинок, вірніше, їх об’єднань. Зробили це на папері, за п’ять років до експериментального відкриття пов’язаних нуклон-антинуклонных пар, в який раз проявивши впевнене прагнення сучасних теоретиків дивитися далеко вперед.

Треба сказати, що до моменту початку робіт І. С. Шапіро та його маленької групи ситуація у фізиці була така, що найекстравагантніші теорії і моделі вже не викликали ні шанобливого подиву, ні вибуху обурення фізичних пуристів. Правда, на цей раз і для того й іншого приводи були. В. С. Шапіро припустив, що важка частинка з її антиподом замість звичної анігіляції, зблизившись, деякий час існують воєдино, утворюючи цілком стабільні (зрозуміло, з точки зору мікросвіту) утворення!

І тим не менше це припущення мало під собою цілком солідні підстави, почерпнуті з відомих законів квантової механіки.

Дійсно, електричні різнойменні заряди нестримно притягуються один до одного, і чим ближче вони, тим сильніше сили, які прагнуть їх об’єднати. Щось подібне чекає і частку з античастинкою. Різниця лише в тому, що для частинок кулонівських справа закінчується появою електричної нейтральної системи, а частинки і античастки приречені на повне зникнення — анігіляцію.

Але відзначимо досить істотне «але» — існують цілком стабільні системи, звані атомами, де два електричних заряди, рівні і протилежні по знаку, як завгодно довго знаходяться в безпосередній близькості один до одного. У цьому випадку електричні сили взаємодії, які прагнуть наскільки можливо зблизити частинки — ядро атома і електрони, – створюють доцентрові сили, що утримують електрони на їх «вічних» кругових орбітах.

Чому б не існувати подібним же об’єднанням в світі ядерних позивачок і античастинок? — запитали себе вчені. Розрахували і отримали, що для електрона і позитрона такий альянс цілком можливий. І, дійсно, експериментатори незабаром виявили це з’єднання — самий «легкий атом», ядро якого зображує позитрон, а оболонка — електрон. Час життя позитронія виражається в частках мікросекунди, що робить його істинним Мафусаїлом в ефемерному світі різних мікроутворень. Нарешті, в 1970 році фізики створили також передбачений теоретиками оригінальний атом, в якому місце електрона зайняв антипротон.

Але ще раніше група В. С. Шапіро опублікувала майже всі свої основні викладки, заявивши, що можуть існувати відносно стабільні пари нуклон-антинуклон, пов’язані тільки ядерними силами. Адже і позитроній і Р-атом зобов’язані своїм існуванням силам електричним, кулонівським. А тут основне навантаження повинне припадати на ядерні сили. І суть справи полягає в тому, що сили ці розвиваються лише на дуже коротких відстанях.

Навіть орбіта Р-атома, набагато менша, ніж у звичайних атомів, в 60 разів перевищує область дії ядерних сил.

У тому-то і полягала новизна думок теоретиків і причина скепсису інших вчених. Частинки, що зближаються як би знаходяться між двох вогнів. Поки вони відносно далекі, діють кулонівські сили. Поблизу — починається анігіляція. А що відбувається на відстанях між радіусом Р-атома і областю анігіляції частинок-антиподів? Може бути, на якусь частку часу, в якійсь ділянці мікропростору частинки зуміють утриматися, утворюючи з’єднану пару, що ніколи ще не попадалася в численні пастки експериментаторів? Вченим належало оцінити ймовірність цієї події в житті ядерних частинок і зробити якісь кількісні оцінки.

Труднощі теорії та складність експерименту

Зараз, коли відкриття відбулося, іноді говорять про очевидність висновків фізиків-теоретиків. Але чому ж тоді добрих п’ять років ці висновки нікому не були потрібні? Чому вони не порушили інтересу? Внаслідок своєї очевидності? Аж ніяк ні! Якраз їх новизна і несподіванка створили атмосферу недовіри. А тим часом викладки були напрочуд витончені математично і фізично. Часто говорять про ювелірні досліди, про елегантні експерименти. На жаль, розрахунки теоретиків досить складні, і їх елегантна простота недоступна погляду непосвячених.

Лише парадоксальність остаточних висновків може привернути до них увагу «ненаукової громадськості!» Скажімо, чи багатьох цікавили найскладніші теорії Дірака? Але його твердження про те, що навколо нас існує цілий «океан» частинок з негативною енергією, збуджувало уяву кожного, хто знайомився з висновками складної теорії. Саме здивування неспеціалістів створило первісну світову славу теорії відносності, хоча її математичний апарат був вище розуміння навіть багатьох фізиків.

Подібних прикладів багато. Але повернемося до розрахунків. Треба було довести, що частинки, що прямують одна до одної зможуть утриматися на орбіті до настання анігіляції. І розрахунок показав, що це можливо: радіус області анігіляції становить приблизно 2 * 10^-14 сантиметра, а ядерні сили дають про себе знати набагато раніше, на відстанях, більших у десять разів. Значить, шукана ймовірність існує! Більше того, вчені оцінили час, відведений природою для життя нуклон-антинуклоних пар, пов’язаних ядерними силами (американські вчені запропонували називати ці пари косміонами). Виявилося, що становить він 10^-20 секунди, що знову-таки чимало для мікросвіту. Звичайно, не довгожитель, але і не немовля!

Більш точні розрахунки дали картину того, що відбувається з парою частинок-антиподів. Так ось, виявилося, що на відстані 60 фермі (1 фермі = 10^-13 сантиметри) зближується пара може утворити Р-атом. З цього стану, випустивши гамма-квант певної енергії (він-то і служить індикатором процесу), пара переходить в ядерний стан, коли її утримують лише ядерні сили. Адже по суті справи косміон – не атом, а особливе, складне ядро. Проіснувавши у вигляді ядра, радіус якого складає приблизно один фермі, частинки приступають до третього етапу взаємодії. На цей раз вони анігілюють і зникають геть, залишивши після себе численне потомство у вигляді інших частинок — нейтральних та заряджених піонів, числом від чотирьох до п’яти, і різних гамма-квантів.

Такий шлях деяких, обраних пар важких частинок, вказаний теорією. Пора експерименту настала, на жаль, не відразу. Правда, іншим теоретикам, як ми знаємо з історії фізики, довелося очікувати ще довше. На щастя фізиків, в декількох лабораторіях світу з’явилися зараз джерела антипротонів. Більш того, заробили установки на потужних пучках частинок і античастинок.

До речі, це теж дещо про що говорить. Адже ще недавно сенсацією були експерименти, де вчені зуміли створити всього лише кілька антипротонів або антинейтронів. А тут — пучки! Так що час захоплень скінчився, почалася звичайна робота. Тут-то і дійшла справа до перевірки гіпотези теоретиків. Вірніше кажучи, ніхто її не збирався перевіряти.

Експериментатори спробували переконатися в правильності кардинального закону природи — так званої зарядової незалежності. Зводиться вона до того, що ядерні сили повністю байдужі до електричних властивостей нуклонів. Це означає, що в результаті неминучої анігіляції (а вона повинна настати) число нейтральних піонів буде дорівнювати сумі цих частинок з негативним і позитивним зарядом (при анігіляції народжуються всі види піонів).

Самі по собі нейтральні піони обліку піддаються важко, тому вчені реєструють продукти їх розпаду — гамма-кванти, що з’являються по два на кожну зниклу частку. Таким чином, число зареєстрованих гамма-квантів, а вони прекрасно вловлюються спеціальною апаратурою, має в точності відповідати загальному числу всіх заряджених піонів.

Однак цього якраз і не вийшло. Гамма-квантів виявилося набагато більше, причому ці надлишкові частинки випромінювання володіли цілком певною енергією, шикуючись «по ранжиру».

Взагалі кажучи, парадокс експерименту можна пояснити двояко: або права гіпотеза І. С. Шапіро, або порушуються фундаментальні закони фізики. Починаючи з 1974 року, хвиля подібних експериментів прокотилася по всіх лабораторіях, де в розпорядженні вчених були пучки антипротонів. Основні припущення теоретиків підтвердилися, пов’язані пари нуклон-антинуклон цілком реальні, їх можна отримати і зареєструвати.

Початкові успіхи підігріли фізиків. І теоретики будують більш складні моделі дивовижних ядер — потрійних, де два нуклона об’єднані з одним антинуклоном, а також своєрідну «альфа-частинку», де воєдино пов’язані два нуклона і два різноманітних антинуклона.

Подібні розрахунки надзвичайно складні — адже доводиться займатися проблемою взаємодії багатьох тіл. А математика досі не має закінченого апарату для точного рішення цієї задачі.

А як же з антисвітами?

Справді, а навіщо всі ці фокуси? – може нешанобливо запитати людина допитлива, але далека від науки. Добре, нехай доведено, що на якийсь короткий час нуклони з антинуклонами можуть об’єднатися, створивши ядерну пару. Але кому практично потрібні ці курйозні ядра – що надзвичайно мало живуть і вельми рідкісні гості в мікросвіті.

Цікавість вчених в даному випадку має свої певні підстави. Справа в тому, що, як це не дивно, одним з слабо розроблених розділів теоретичної фізики є фізика ядерна.

Цікавий факт! Минуло більше ста років з того часу, коли люди дізналися, що ядра атомів складаються з частинок двох сортів. Тонни паперу витратили з тих пір теоретики, безліч найрізноманітніших дослідів провели експериментатори, а в багатьох відносинах «віз і нині там» — різного роду закономірності ядерних сил і взаємодій як і раніше залишаються невідомими.

Біда ядерної фізики полягає в тому, що єдина в природі найпростіша система двох нуклонів — дейтон (ядро тяжкого водню, що складається з протона і нейтрона) — інформативно бідна. У цієї системи існує лише одна енергетична можливість, один енергетичний рівень.

А спектр нуклон-антинуклон містить близько двадцяти таких рівнів. З їх допомогою можна отримати багату інформацію про різноманіття властивостей ядерних сил і взаємодій, пізнати структуру ядра, виявити безліч нових закономірностей. Ці пари являють собою «живі» моделі, що дають цікаві можливості для різноманітних досліджень. Оскільки сили, що діють між мешканцями ядер, у всіх випадках одні й ті ж, модель дозволяє судити про сили, що діють в звичайних атомних ядрах.

Цікаво, що тепер, після розрахунків фізиків-теоретиків, знову об’єднуються давно відокремлені науки ядерна фізика та фізика елементарних частинок. Адже пара нуклон-антинуклон не що інше, як… один з видів важких мезонів! Вивчаються вони, як елементарні частинки, а тримаються вони на тих же силах, які проявляються в атомних ядрах. (Підозрюють, що недавно виявлені в експериментах важкі мезони і є ці самі пари.)

Коротше кажучи, гіпотеза, точніше, теорія та її прекрасне підтвердження породили безліч надій у фізиків, які всіма силами намагаються «вичавити» максимум інформації з оригінальних конструкцій, створюваних експериментаторами за рецептами теоретиків.

Автор: Б. Смагін.