Охотники за частицами

Так бывает не каждый день. Но так случилось на этот раз. Основы физики были потрясены двумя молодыми китайцами, работающими в США, — Ли Цзун-дао и Янг Чжэнь-нином. Это произошло в 1956 году.

Кривое зеркало природы

В самом деле, почему бы не допустить, что у природы кривое зеркало, что левое отличается от правого? Не доказывать с пеной у рта, что это не так, а спокойно поговорить. И еще лучше — попытаться проверить. Очень «странные» они, эти слабые взаимодействия!

Но проверить уже не на тау- и тета-мезонах. Они мало подходят для этой цели: живут чуть ли не миллиардные доли секунды, да и попадаются не так уж часто. Лучше взять какое-нибудь другое, не такое быстрое, но зато хорошо изученное явление, виновником которого являются слабые взаимодействия.

Например, бета-распад, тот самый распад, когда из ядер летят электроны.

Но неужели никто никогда не замечал в нем такой «странности», как нарушение четности? «Представьте себе, нет, — отвечали молодые физики. — Не замечали, потому что не искали. Это явление тонкое, в глаза оно не бросается. Рекомендуем поискать».

А в чем оно должно проявиться? Ли и Янг посчитали и ответили так. Если сложить все спины протонов и нейтронов в ядре, то получится суммарный спин. Наподобие того, как атомные магнитики, складываясь в намагниченном куске железа, образуют большой магнит. Так вот, при бета-распаде в том направлении, куда указывает спин ядра (а попросту, куда направлена «ось вращения» ядра), должно вылетать меньше электронов, чем в противоположном направлении.

Ну, казалось бы, это давным-давно заметили бы! Ничуть не бывало! Во всех радиоактивных веществах, с которыми имели дело, спины ядер направлены как попало. Совсем так, как атомные магнитики в ненамагниченном веществе. Поэтому и электроны в среднем летели одинаково густо по любому направлению.

Ага! Значит, теперь надо все ядра выстроить как на параде — в затылок друг другу. Только так можно проверить предсказание Ли и Янга.

Очень нелегкая задача! Но результат предсказывался такой, что ради него стоило преодолеть и большие трудности.

За дело взялась большая группа экспериментаторов. Ее возглавили ученица Сегре китаянка By Цзянь-сюн и Эрнст Эмблер. Они поделили обязанности так. Эмблер должен был дать ядрам команду «смирно», а By — смотреть, что при этом произойдет с испусканием электронов.

Ядра существа резвые. В первую очередь нужно было поубавить их пыл. С этой целью радиоактивное вещество охладили до сверхнизкой температуры — всего лишь на сотые доли градуса выше абсолютного нуля. А затем поместили в сильнейшее магнитное поле. И, наконец, окружив всю установку счетчиками частиц, измерили, сколько электронов летит «по спину», а сколько «против спина».

Опыт готовился полгода. Опыт длился четверть часа. Этой четверти часа оказалось достаточно. Все получилось так, как предсказали Ли и Янг!

У природы в самом деле кривое зеркало! По крайней мере там, где присутствуют слабые взаимодействия.

Это было действительно потрясением! Нарушался один из самых очевидных законов природы: левое отличается от правого, верх от низа. Как это понять, как с этим примириться? Примириться придется. Факты — вещь чрезвычайно упрямая.

А понять… Понять — труднее. Дело в том, что здесь все не так просто, заявил вскоре после решающего опыта знаменитый советский физик Лев Давидович Ландау. Нарушается не только четность. У природы зеркало устроено хитрее, чем мы думали.

Отразите в этом зеркале протон. Вы думаете, что «по ту сторону» будет протон? Нет, там будет его зеркальный брат — антипротон! При отражении в зеркале природы частица заменяется античастицей.

И не приближайтесь к зеркалу, уважаемый протон, чтобы получше разглядеть свое отражение. Иначе кончится тем, что не останется ни вас, ни вашего зеркального брата!

Протон и его «зеркальное отражение» — антипротон.

Но читатель может не бояться даже сплющить собственный нос о зеркало. И он не подвержен слабым взаимодействиям, и зеркало иное — построенное руками человека, а не природы.

Да, кроме того, в зеркало и из него летят всего лишь фотоны. А для них, как мы уже видели в таблице, античастица ничем не отличается от частицы. Сколько ни встречайся они друг с другом — аннигиляции, взрыва не будет.

Так новым поразительным открытием и разрешилась загадка «тау-тета».

Элементарные частицы — предел делимости?

При путешествии по этой книге вы не раз встречали эпитет «элементарный», которым физики до недавнего времени наделяли частицы. Что под этим подразумевали ученые?

Прежде всего им представлялось до недавних пор, что эти частицы — как бы предел дробления вещества на части. Путешествуя по лестнице энергий, мы уже убедились в том, что, повышая энергию, можно было раздробить вещество на все более мелкие кусочки. Та же органическая молекула при нагревании сначала разбивалась на крупные блоки, эти блоки затем превращались в «пыль» из отдельных мелких молекул, молекулы дробились на атомы.