Охотники за частицами

Вначале это рассеяние как будто подтверждало самые общие догадки физиков. С ростом энергии пи-мезонов рассеяние их протонами все более ослабевало. Это и понятно: чем быстрее летит пи-мезон, тем меньше времени проводит он возле протона. Значит, тем меньше вероятность, что за это время обе частицы успеют обменяться крепкими «рукопожатиями». А значит, менее вероятно и то, что в результате более легкий из них пи-мезон сильно отлетит в сторону от своего первоначального пути.

Но тут же начались и неожиданности. При определенной энергии пи-мезонов рассеяние вдруг сильно возрастало. А затем, при дальнейшем повышении энергии мезона, оно снова приходило в норму. На рисунке, изображающем зависимость рассеяния от энергии мезона, появлялся небольшой горбик.

Первый горбик увидел в 1952 году уже известный нам неутомимый охотник за частицами Энрико Ферми. Посылая пучок пи-мезонов, рожденный в ускорителе Калифорнийского университета, на вещество, содержащее много протонов, Ферми заметил, что при энергии мезонов примерно в двести миллионов электрон-вольт они начинали вдруг очень сильно рассеиваться протонами.

Впечатление было такое, как будто качаешь маятник рукой. Вначале, пока толкаешь его редко и слабо, размах маятника невелик. Но, даже не усиливая толчков, а лишь учащая их, в какой-то момент добиваешься очень больших колебаний. А будешь подталкивать маятник еще чаще — и все пропадет. Причина этого известна давно: нащупал случайно собственную частоту колебаний маятника, и он ответил резонансом.

Все резонансные кривые имеют один и тот же вид. Неважно, описывают ли они размах колебаний маятника в зависимости от частоты толчков его, или слышимость, когда антенна радиоприемника настраивается в резонанс с частотой далекой радиостанции, или же когда с помощью оптического прибора физик нащупывает спектральную линию света от какого-либо химического элемента.

Этот вид всегда таков: на плавно идущей кривой вдруг возникает холм. Потому и горбик на кривой рассеяния пи-мезонов физики окрестили условно резонансом. В те годы казалось, что это лишь не более, чем внешняя аналогия. Да и к тому же совершенно загадочная.

В самом деле, о чем мог говорить горбик на кривой рассеяния? Раз частица рассеивается сильнее, значит, она больше времени проводит по соседству с протоном. Словно замедлила свой фантастически быстрый, почти со скоростью света, полет, чтобы получше разглядеть своего массивного родича.

На сколько же задерживается мезон около протона? Горбик на графике позволяет это прикинуть. Но только прикинуть — никакими часами этого не измерить. Размер (конечно, как мы помним, чисто условный) протона — порядка 10^–13 сантиметра, скорость полета пи-мезона — порядка 10¹⁰ сантиметров в секунду. Значит, пи-мезон пролетает мимо протона примерно за 10^–23 секунды.

Эта цифра нам известна: она дает порядок времени сильных взаимодействий. Так оно и должно быть: между протоном и пи-мезоном — квантом ядерного поля — существует именно сильное взаимодействие.

Так вот, «резонансный» пи-мезон задерживается около протона на время того же порядка — те же 10^–23 секунды. И лишь, может быть, это время в два-три раза больше, чем для мезона с соседней, нерезонансной энергией. Точнее определить время задержки нет никакой возможности, известен лишь его порядок величины.

Но нам важно сейчас, что такая задержка все же происходит. Что там делают обе частицы в этот ничтожный промежуток времени? Сливаются, слипаются? — спрашивают друг друга физики.

Неясно, отвечают теоретики, но почему-то при этом появляются новые пи-мезоны. Впрочем, это, возможно, тот самый случай, когда энергия ядерного поля материализуется в виде новых квантов этого же поля. Виртуальный процесс, но с самыми реальными последствиями!

Занавес приподнимается

И вот экспериментатор появляется в кабинете теоретика. Оторванный от тяжких раздумий теоретик как будто недоволен.

— Итак, чем могу служить?

— Да вот, получил я новую кривую рассеяния пи-мезонов на протонах. А вот и еще одна: это я пустил на протоны пучок ка-мезонов. Трудно, знаете ли, было. Ка-мезоны — редкие гости. Намучился, пока закончил опыт.

Но что теоретику до каторжного труда экспериментатора!

— Ну и что, есть что-нибудь новенькое?

— Да вот, видите ли, опять эти горбики…

Теоретик рассматривает кривую рассеяния, построенную экспериментатором.

— Да, опять эти резонансы. И довольно много их… Впрочем, знаете что? Присаживайтесь-ка. Мне тут одна идейка в голову взбрела. Давайте-ка потолкуем.

Экспериментатор покорно садится. Не очень-то он любит, когда теоретик проверяет на нем свои заумные идеи. Но довольно часто оказывается, что теоретический «бред» удивительно хорошо объясняет факты, добытые на опыте, и правильно подсказывает экспериментатору, где и что нужно искать. Так что все-таки интересно узнать…

— Так вот, слушайте. Мне пришло в голову, что ваши горбики на кривых, это… новые частицы!

Такое действительно не каждый день услышишь! Экспериментатор изумлен.

— Да, да, не изумляйтесь. Вот вы сами скажите, что такое частица, по вашему мнению?