Загадки микромира

А теперь отнесем прибор на двадцать метров дальше. Что должен регистрировать этот прибор? Казалось бы, ничего! За ничтожное время жизни, отмеренное ка-ноль-мезонам, даже при световой скорости они успевают пролететь всего несколько сантиметров, пролететь и неизбежно погибнуть, распавшись на два пи-мезона.

Но прибор, стоящий уже в двадцати метрах от ускорителя, все продолжает считать нейтральные мезоны, срок жизни которых в 600 раз больше, поскольку они успевают долететь до прибора. Да и распадаются эти долгоживущие мезоны не на два, а на три пи-мезона. Значит, поток частиц, рождающихся при столкновении протонов большой энергии с мишенью, состоит из нейтральных ка-мезонов двух сортов.

Но это еще далеко не все. Стоит экспериментатору забыть перед счетчиком, считающим долгоживущие ка-мезоны, какой-нибудь предмет, как происходит чудо: прибор опять начинает регистрировать короткоживущие ка-мезоны. Они, как и те, что регистрировались на выходе из ускорителя, также распадаются на два пи-мезона!

Чудо объясняется просто. Оказывается, долгоживущие мезоны, столкнувшись с веществом, превращаются в короткоживущие. Подобным свойством не обладает ни одна из известных нам частиц. Нейтроны, протоны или пи-мезоны никогда не меняют своих свойств при столкновении с веществом.

В таблице элементарных частиц каждая жительница микромира занимает максимум две строчки. Первая строка принадлежит частице, вторая — античастице. И только нейтральным ка-мезонам удалось расположиться сразу на четырех строчках!

Первую, как и положено, занимает нейтральный (ка-ноль) мезон, вторую — анти-ка-ноль-мезон. На третьем месте находится уже знакомый нам короткоживущий ка-ноль-мезон. И наконец, на четвертом — долгоживущий ка-ноль-мезон.

Экспериментаторы, как ни старались, не могли обнаружить в природе анти-ка-ноль-мезон. Ну что ж, в этом не было ничего удивительного. Нет античастицы у фотона, нет ее и у нейтрального пи-мезона. Эти частицы и по теории должны быть совершенно идентичны со своими «антиродственниками».

Но когда М. Гелл-Манн создал свою классификацию элементарных частиц, у него получилось, что ка-ноль-мезоны должны все-таки отличаться от анти-ка-ноль-мезонов. Проницательный Э. Ферми сразу же спросил у него: «Как вы можете представить себе ка-ноль и анти-ка-ноль различными, если они распадаются неразличным образом?»

«Как теперь ясно, — пишет в воспоминаниях Б. Понтекорво, — в этих словах скрыта глубокая догадка о дуальных — двойственных — свойствах нейтральных каонов». (Каонами физики называют ка-ноль-мезоны.)

Встречи частиц и античастиц между собой происходят крайне редко. Лишь незначительная доля протонов или электронов встречается со своими антидвойниками. Объясняется это тем, что материя и антиматерия всегда разделены в пространстве. Только в момент их первого (и последнего) в жизни свидания некоторые частицы и античастицы ненадолго образуют связанную систему. Так электрон и позитрон до аннигиляции в виде атома — позитрония — успевают помочь ученым в решении некоторых химических задач.

Однако анти-ка-ноль-мезонов не было нигде — ни в космических лучах, ни среди частиц, рождающихся на ускорителях. Но они должны быть! — настаивала теория. И один опыт сменялся другим, настойчивые поиски продолжались. Продолжались до тех пор, пока физики однажды не поняли, что искать-то, собственно, нечего. Все было просто и одновременно фантастически необычайно.

Слабые взаимодействия как бы «сблизили» мир и антимир. Они связали нарушение зеркальной симметрии пространства с различием между частицами и античастицами, например, в знаке электрического заряда. В нейтральных ка-мезонах мир и антимир сосуществуют бок о бок вплоть до их распада. Они не что иное, как смесь частиц и античастиц. И не одна, а целых две смеси — два строго согласованных, уравновешенных состояния с определенной массой, с постоянным временем жизни и другими квантовыми свойствами. Одну смесь ученые назвали нейтральными короткоживущими, а другую — долгоживущими ка-мезонами.

Вот эти-то «коктейли», тщательно приготовленные природой из двух одинаковых компонентов, и продемонстрировали свое несогласие с принципом CP-симметрии.

Театр одного актера

В чем же заключалась сенсационность сообщения, сделанного в Дубне на Международной конференции?

В Принстонском университете американские физики Кристенсон, Кронин, Фитч и Турлей изучали свойства рождающихся на ускорителе долгоживущих ка-мезонов. Ученые расположили свою установку на расстоянии двадцати метров от выхода мезонного канала, чтобы полностью избавиться от всех быстро распадающихся короткоживущих ка-мезонов.

Во время работы физики обратили внимание, что очень редко — один раз на 500 обычных распадов — долгоживущие каоны нарушали запрет, наложенный принципом CP-симметрии, и распадались на два пи-мезона. По законам делать это они «не имели права». Американские же физики обнаружили именно такие случаи распада. Значит, не работает также и «CP-зеркало»?