Загадки микромира

Нам пришлось вспомнить об этом потому, что в основе современной квантовой теории элементарных частиц лежит теорема CPT. Смысл ее в том, что все процессы должны одновременно подчиняться принципу пространственной — P-, зарядовой — C- и временной — T-симметрии. Другими словами, любое явление в микромире, если его отразить в зеркале, частицы в нем заменить на античастицы, а конечное состояние заменить начальным, то есть изменить направление времени, должно превратиться в явление, тоже реально существующее в природе.

До экспериментов с ка-мезонами никто не сомневался, что все три типа симметрии как вместе, так и по отдельности — это строгие законы природы. Но первые два уже утеряли свою универсальность. Чем это грозит?

Если нарушается CP-симметрия, а T-симметрия остается, то рушится вся теорема CPT. Она, эта общая CPT-симметрия, может остаться в силе лишь в том случае, если нарушаются одновременно CP- и T-симметрии.

Так, лишившись двух фундаментальных законов, физики «добровольно» отказываются от третьего. Более того, они стараются доказать его нарушение, чтобы спасти основы теории. Имеет ли время власть над микромиром?

Выяснить это намного сложнее, чем в макромире. Временнáя T-симметрия накладывает запрет на некоторые физические явления. Например, у элементарных частиц не должно быть электрического дипольного момента. Можно представить, что нейтрон состоит из положительного и отрицательного зарядов, центры тяжести которых раздвинуты. Отсюда возникает электрический дипольный момент. Если ядерные процессы обратимы, то этот момент у нейтрона должен быть равным нулю.

В лаборатории нейтронной физики дубненские ученые давно уже ищут возможность для проникновения в тайну электрического дипольного момента частиц. Во всех прежних экспериментах он не был обнаружен. Но сказать, что момент этот равен нулю, пока никак нельзя — точность опыта еще недостаточно высока. Нейтроны так быстро проскакивают рабочий объем установки, что очень малое их количество распадается за это время. Даже медленные, или тепловые, нейтроны и те движутся со скоростью два километра в секунду. Нейтронный «шквал» за ничтожные доли секунды пересекает весь прибор, а для измерения дипольного момента очень важно, чтобы нейтрон как можно дольше находился в поле зрения наблюдателей, «в руках экспериментаторов». Ведь за это время надо изучить его поведение под действием электрических и магнитных полей.

Возникла, таким образом, необходимость в нейтронах гораздо более медленных, чем тепловые. Именно такие ультрахолодные нейтроны, со скоростью несколько метров в секунду, встречаются среди частиц, вылетающих из ядерного реактора. Но их очень мало: на сто миллиардов всех нейтронов приходится только один ультрахолодный.

Вот если бы собрать да законсервировать эти нейтроны, тогда и эксперимент по измерению дипольного момента можно было бы провести с высокой точностью.

И эта, казалось бы, фантастическая идея оказалась практически выполнимой. Около двадцати лет назад итальянский ученый Э. Ферми и советский физик-теоретик И. Померанчук показали, что ультрахолодные нейтроны должны полностью отражаться от поверхности некоторых веществ.

Десять лет спустя академик Я. Зельдович теоретически доказал, что, используя свойство отражения, можно «выловить» ультрахолодные нейтроны из реактора и накопить их в специальной ловушке в количестве до ста миллионов в одном кубическом метре!

В это трудно было поверить. Ведь нейтроны довольно проникающие частицы, а тут предсказывалось, что они не смогут покинуть ловушку, сделанную из тончайшей медной фольги.

Необыкновенное поведение ультрахолодных нейтронов объяснялось их волновыми свойствами. Длина волны этих частиц равна одной стотысячной доле сантиметра. Но в микромире даже она кажется Гулливером среди атомов-лилипутов. Поэтому, падая на поверхность вещества, волна взаимодействует одновременно с большим числом ядер атомов меди. И хотя энергия такого взаимодействия очень мала, она все-таки того же порядка, что и энергия самих ультрахолодных нейтронов. Вот почему уже первые слои атомных ядер фольги создают на пути волны ультрахолодных нейтронов непреодолимый энергетический барьер. Ударяясь о него, как морская волна о крутой берег, она откатывается назад.

Группа ученых лаборатории нейтронной физики ОИЯИ под руководством Ф. Шапиро уже приступила к созданию «консервов» из нейтронов. Их задача формулировалась очень просто: найти и отобрать иголки — ультрахолодные нейтроны — в стоге сена, то есть среди сотен миллиардов всех остальных нейтронов.

В поток нейтронов, выходящих из атомного реактора, экспериментаторы поместили медную трубу, изогнутую на удаленном от реактора конце. Тепловые нейтроны, летящие с огромной скоростью, «прошивали» стенки трубы в месте ее изгиба и мчались дальше. Ультрахолодные же, попав в трубу, уже не могли из нее выбраться и превращались в ее пленников. Как слепые котята, тыкались они в стенки и, отражаясь от них, ползли вдоль трубы, следуя ее изгибам.