Загадки микромира

Мгновение — и во все стороны от мишени разлетаются только что возникшие нуклоны и антинуклоны, мезоны и гипероны. Мгновение — и распадаются на отдельные частицы самые тяжелые из частиц — резонансы. Каждое столкновение вызывает к жизни этот неспокойный, волнующий, изменчивый мир, все краски и разнообразие которого зависят от энергии. Именно энергия и только она — та питательная среда, в которой на мгновение расцветают необычайные «миражи» микромира.

Последняя матрешка?

В мире этом —

Я знаю — нет счета сокровищам,

Но весьма поучительно для очей

Заглянуть повнимательнее в нутро

                  вещам,

Прямо в нутро вещей.

Л. Мартынов

Птица Феникс

«По своему первоначальному смыслу, — пишет академик М. Марков, — термин „элементарные частицы“ должен был бы обозначать простейшие частицы, из которых состоит материя».

А не поторопились ли так назвать протоны, нейтроны и другие частицы? Разве тяжелые, мгновенно распадающиеся гипероны и резонансы похожи на простейшие части материи?

Сомнения одолевали ученых давно. В 1950 году, когда было обнаружено всего лишь девять кирпичиков материи, Энрико Ферми говорил, что «это уже достаточно большое число, чтобы вызвать подозрение в элементарности хотя бы некоторых из них».

Подозрительность физиков возросла еще больше, когда всего за пять лет три десятка кирпичиков превратились в две сотни.

«Понятие элементарности потеряло свой первоначальный смысл, — так резюмировал ситуацию „взрыва рождаемости“ частиц физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии, академик И. Тамм. — Сейчас мы не можем отличить истинно элементарные частицы от составных».

Не можем отличить? Но это, кажется, так просто! Если свободный нейтрон при радиоактивном распаде превращается в протон, электрон и нейтрино, следовательно, он, как карточный домик, сложенный из отдельных карт, построен из протона, электрона и нейтрино; а мю-мезон — из электрона и нейтрино.

Но так ли это в действительности? Если «что-то» состоит из отдельных частей, то с большей или меньшей затратой сил части эти всегда можно обнаружить. Атом, к примеру, содержит в себе электроны и тяжелое ядро. Затратив энергию в несколько десятков электрон-вольт, можно ионизировать атом, оторвав от него необходимое число электронов. Либо выбить из него ядро, как это делал еще Резерфорд, с помощью альфа-частиц.

Наконец, затратив в миллион раз большую энергию, можно расщепить и атомное ядро, щедро набитое протонами и нейтронами.

Словом, все объявляемые элементарными сущности материи сами же физики со временем разделяли, раскрывали, как деревянную матрешку. Заглянув внутрь, они всегда находили там более мелкие, еще более элементарные частицы материи.

Но как раскрыть элементарную частицу? Как узнать, из чего состоит, к примеру, протон? История поиска все более простых кирпичиков материи как будто подсказывает самый естественный ответ: надо стукнуть по элементарной частице как можно сильнее.

Некоторые физики так и поступают. Мишень из водородсодержащего вещества они облучают протонами больших энергий, получаемых на ускорителях. В конце 60-х годов на Дубненском синхрофазотроне они исследовали столкновение протонов с энергией в 10 миллиардов электрон-вольт с другими нуклонами. А сейчас в американском городе Батавия по мишени ускорителя бьют протонами с энергией в 40 раз большей.

Но до сих пор ни в одном эксперименте не удавалось выбить какую-нибудь «деталь» элементарной частицы, не удавалось обнаружить ее осколка. Во всех ядерных реакциях частица участвовала как единое целое. Оказывается, любая, самая ужасная катастрофа при столкновении в микромире обходится без единой «жертвы».

Так, может быть, элементарные частицы вообще нельзя разделить? И это совсем не простой карточный домик или матрешка?

В ответ на такой вопрос директор лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований член-корреспондент АН СССР А. Балдин сказал:

«Говоря о структуре материи, мы исходим из привычного представления о делимости целого на отдельные части. Если же попробовать разорвать, разделить на кусочки элементарную частицу, то в результате появляются новые частицы. Самое поразительное в том, что из этой катастрофы первоначальная частица выходит, как птица Феникс из пепла, невредимой, тождественной своему исходному состоянию!»

Игра по правилам

Представим себе, что мы находимся около ускорителя протонов в Дубне. Все готово к сложному опыту. Укреплена мишень из водорода. Подан ток к магнитам ускорителя. Звуковой сигнал, красный свет предостерегающего табло — и все покидают экспериментальный зал.

В этом зале сейчас совершится не видимое никому, но реально регистрируемое приборами великое «таинство» микромира — рождение элементарных частиц в момент столкновения ускоренных протонов с протонами мишени.