Загадки микромира

Проблемой заинтересовался молодой Луи Пастер. «Я не способен был представить себе, — писал он, — чтобы два вещества могли быть настолько похожими, не будучи полностью идентичными. Едва закончив Высшую нормальную школу, я решил приготовить побольше кристаллов, чтобы изучить их форму». И вскоре Л. Пастер обнаружил, что химически одинаковые вещества состоят из кристаллов, по-разному ориентированных в пространстве.

Кристаллы эти оказались зеркальными изображениями друг друга. Они не совпадали между собой и обладали разной оптической активностью. «Открытие правой и левой виннокаменных кислот (это и было заслугой Л. Пастера) содействовало тому, что молекулы были выведены из области туманных рассуждений в весьма конкретный мир геометрии», — пишет Ч. Банн.

Сейчас нас больше всего интересует тот аспект этой истории, что впервые тогда в науке обнаружилась зависимость свойств материи от ее пространственной ориентации.

И вот сто лет спустя уже не в макрофизике, а в мире элементарных частиц ученые вновь столкнулись с проблемой, затрагивающей свойства материи одновременно. Но проблема эта была гораздо сложней, ибо в ней участвовали не только частицы, но и античастицы.

Если Л. Пастер заметил связь между свойствами право- и левоориентированного вещества (левые и правые кристаллы), то мир элементарных частиц предоставил уникальную возможность обнаружить связь между свойствами правоориентированного вещества и левоориентированного антивещества.

Астрофизики пытаются с помощью разного типа космических излучений обнаружить антимиры в межзвездном пространстве. Писатели-фантасты сталкивают своих героев с пришельцами из таинственного антимира.

До сих пор неизвестно, существует ли антимир, полностью аналогичный нашему миру. Но слабые взаимодействия через нарушения пространственной и зарядовой симметрии уже связали между собой элементарные кирпичики вещества и антивещества. Аналогия между принципом CP-симметрии и сдвоенным «CP-зеркалом» напрашивается сама собой. Но какое же это зеркало? Оно напоминает скорее «окно в антимир».

Если взглянуть в это зеркало вместе с нейтрино, то можно увидеть там антинейтрино: частицу без массы и без электрического заряда, которая имеет лишь собственный момент количества движения, связанный с ее вращением. Но в зеркале направление вращения нейтрино сразу меняется на противоположное и становится таким, как у антинейтрино. Как зачарованная красавица, эта частица никогда не «увидит» себя в зеркале.

Ну а электрон? Что видит он в «CP-зеркале», вылетая из радиоактивного ядра? Электрон видит свою античастицу — позитрон.

Каоновые коктейли

В августе 1964 года в городе Дубне под Москвой, где находится Объединенный институт ядерных исследований — ОИЯИ, — съехались ученые из многих лабораторий и научных институтов мира на традиционную Международную конференцию по физике высоких энергий.

Обычно ученые с нетерпением ждут очередного смотра объединенных сил теоретиков и экспериментаторов. Здесь можно обсудить свои последние результаты с коллегами из разных стран. Узнать о самых свежих, еще не напечатанных в журналах научных новостях.

Одни хотели встретиться с автором теории кварков М. Гелл-Манном, переживавшим триумф восьмеричного пути в связи с недавно открытой частицей омега-минус-гиперон. Другие мечтали услышать что-нибудь новое об экспериментах с нейтрино.

Но всех без исключения волновали слухи о предстоящем сообщении ученых Принстонского университета США. Слухи о сенсациях чаще всего бывают преувеличенными. Но на этот раз оправдались ожидания и журналистов и специалистов.

Ничто, казалось, не предвещало сенсации. Годы, прошедшие после обнаружения нарушения закона сохранения четности, все больше убеждали физиков в жизнеспособности новых представлений о свойствах пространства, материи и антиматерии.

В такой спокойной и, казалось бы, благополучной обстановке физики встретили 1964 год. И никто не ожидал, что именно в этом году посреди заботливо ухоженной «клумбы» экспериментальных результатов вдруг вырастет колким и неприглядным малиновым прутом новое осложнение — нарушение принципа CP-симметрии.

Доклад американских ученых о новом эксперименте с нейтральными ка-мезонами произвел сильнейшее впечатление. «Странные» частицы опять «замахнулись» на основы современной квантовой теории.

Директор лаборатории высоких энергий ОИЯИ, член-корреспондент АН СССР А. Балдин сказал, что опыт американских исследователей «дал максимум информации, так как изменил наши основные представления. Обнаруженный эффект настолько не укладывался в современную теорию, что он остается главным событием в физике за последние годы».

Что же открылось ученым? Прежде чем узнаем об этом, познакомимся поближе с нейтральными ка-мезонами — удивительнейшими объектами микромира, настоящими хамелеонами мира элементарных частиц.

Возьмем прибор, чувствительный только к этим частицам, и поставим его прямо на выходе их из ускорителя. Через несколько часов измерений мы узнаем, что ка-ноль-мезоны живут всего 10^–10 секунды и распадаются на два пи-мезона.