Охотники за частицами

Привыкшие к двуликости мира сверхмалых частиц, они, однако, не признавали такой его двуликости в одном — в энергии. Частица в данных условиях может иметь либо любую энергию, либо только ряд разрешенных ей энергий. Если она совершенно свободна, то ее энергия может быть любой. Если она связана в коллективе частиц, то ее энергия может иметь лишь набор разрешенных значений. Что-нибудь одно! Неважно, атом ли это, ядро или что-то другое: этот закон действителен для всех частиц.

Все это до сих пор говорило о том, что частицы в ядре могут иметь не любую энергию. А вот любая энергия электрона, появляющаяся из ядер, говорила об обратном. Что же, уступить электрону? Даже и не думайте!

У одних физиков это упорство доходило до безрассудства. Спор с электроном затягивался, и горячие головы пустили в ход незаконные аргументы.

Они покусились не много, не мало, как на сам закон сохранения энергии — на краеугольный камень всей физики. Мол, в виртуальных процессах этот закон вроде как бы не выполняется, а здесь, в бета-распаде, уже нарушается не виртуально, а наяву! Правда, эти физики затем быстро одумались.

Спор затянулся — надо его кончать. В 1933 году Энрико Ферми и независимо от него Вольфганг Паули сообщают о том, что победа в споре на их стороне.

Однако им верят далеко не все. Помните, статью Ферми о бета-распаде даже вернули автору? Снова — даже самые выдающиеся теории не сразу завоевывают мир физиков.

Теория Паули и Ферми одним махом разрешила оба неприятных вопроса бета-распада. Электроны летят из ядер, хотя им запрещено там находиться? Так их там и нет: они появляются лишь в тот миг, когда один из ядерных нейтронов превращается в протон, выбрасывая «из себя»… электрон! Оттого-то электроны и вылетают из ядра, что не могут жить в нем. Так что в этом запрете на прописку права квантовая механика.

Электроны имеют любую энергию, хотя это им запрещено? Это означает лишь, что вместе с электроном из ядра вылетает, видимо, еще какая-то частица. По сумме энергий электрон и эта частица имеют уже не любое значение, а то, которое дозволяет квантовая механика.

Но распределить между собой унесенную из ядра энергию сообщники могут как им угодно. Это уже вне компетенции строгой квантовой теории. От этого «как угодно» и получается, что электроны имеют любую энергию.

Однако электрон виден всем, а его сообщник что-то незаметен. И этому Ферми и Паули дают объяснение. Во-первых, сообщник не имеет электрического заряда. Во-вторых, он имеет массу, ничтожную в сравнении даже с массой электрона.

Какая-то в миллионы раз более легкая копия нейтрона! И Ферми называет ее ласкательно: «маленький нейтрончик». По-итальянски это звучит: «нейтрино».

Новая частица родилась, но пока что на кончике пера теоретиков.

По невидимому следу

Как ее искать? Нейтрино не заряжено электрически — значит, ни в счетчиках, ни в камерах, ни в фотопластинках следов не оставляет. Нейтрон также «бесследен», но он хоть оставляет весьма зримые следы, вроде поврежденных ядер и даже, чего хуже, разрушенных до основания городов.

Нейтрино же — форменным образом дух бесплотный! Впрочем, первые косвенные «следы» его появления физики наблюдают уже в довоенные годы. Это изломы следов мю-мезонов. Мы уже говорили об этом не раз. И не раз у читателя мог встать вопрос: а почему, собственно, при распадах мю-мезонов след ломается? Разве не может мю-мезон отдать своему наследнику электрону всю энергию?

Оказывается, не может. Ведь, кроме энергии, у мезона еще есть импульс. Закон сохранения импульса — такой же суровый, как и закон сохранения энергии. А нагрузиться импульсом от в двести раз более тяжелой частицы — это электрону не под силу. Он тут же сбрасывает часть ноши, а ее услужливо подхватывают его сообщники — нейтрино. И здесь происходит дележ добычи!

И, как водится в таких случаях, сообщники разбегаются в разные стороны. Оттого электрон и бежит в сторону от пути своего родителя, оттого и ломается след. Такую же картину спустя несколько лет физики смогли наблюдать при распаде пи-мезонов на мю-мезоны. Здесь тоже присутствовал незримый сообщник в дележе энергии и импульса пи-мезона.

Теперь физики почти безоговорочно уверовали в существование нейтрино. Они, однако, убедились и в другом. Выполненные в те годы расчеты показали, что даже сам дух бесплотный должен выглядеть грубейшим зверем по сравнению с нейтрино!

Нейтрино — это почти непостижимое чудо деликатности. Он может пробежать всю видимую в телескопы Вселенную и не коснуться ни одной частицы! Что там — сквозь Землю! — нейтрино может не задеть ни одной частицы даже в чудовищно плотных недрах звезд.

Вот это да! Стоит ли даже и думать о поимке сверхнеуловимого нейтрино? Можно только поражаться смелости тех людей, которые не спасовали перед этой магией природы, а, поразмыслив, заключили: стоит.

И не только думать о поимке, но и ловить нейтрино! Это были американские физики Клайд Коуэн и Фредерик Рейнс.