Загадки микромира

Не остаются без «подарка» и мю-мезоны (мюоны). Магнитные моменты всех частиц одного знака заряда имеют строго определенное направление. Про такие мюоны говорят, что они поляризованы. Но каково было удивление физиков, когда они обнаружили, что стоит этим частицам затормозиться и остановиться в веществе, как за несколько миллионных долей секунды, остающихся до их распада, большинство мезонов теряет свою поляризованность. Почему? Что происходит в мишени, поставленной на их пути?

Измерения проводили в разных веществах, но результаты измерений не поддавались интерпретации. В одних мишенях равнение нарушали меньше половины всех мезонов, в других — почти все частицы теряли первоначальную поляризацию. Она менялась и от температуры вещества мишени, и от его молекулярной структуры, наличия примесей и величины напряженности внешнего магнитного поля и от многих других внешних условий.

Крупнейший советский физик-теоретик Л. Ландау одним из первых объяснил, что же происходит с мю-плюс-мезоном, останавливающимся в веществе. Мезон, оказывается, отрывает от одного из окружающих атомов слабо связанный с ним внешний электрон и создает свой собственный атом — атом мюония.

Мюоний экспериментаторы обнаружили. Но оставалось непонятным: что происходит с ним дальше, в самые последние миллионные доли секунды до распада?

У мюония «ядро» с положительным зарядом — мю-плюс-мезон, — а на орбите один отрицательный электрон. Мюоний очень похож на атом водорода. Вот только по весу не дотягивает, ведь мезон в 9 раз легче протона, ядра атома водорода. Да и живет мюоний лишь до распада мю-мезона на два нейтрино и позитрон. Но и за это ничтожное время он не остается «незамеченным» соседними атомами.

По химическим свойствам мюоний — двойник атома водорода. Он вступает в те же химические реакции, что и атом водорода. Значит, мю-мезон в составе мюония в последние мгновения своего бытия ведет необычную для элементарных частиц жизнь — химическую. А это сразу же отражается на направлении его магнитного момента.

Сотрудники Института теоретической и экспериментальной физики поняли и на опыте доказали, что по изменению поляризации мю-мезонов можно с высокой точностью определить абсолютную скорость и тип химической реакции мюония, а следовательно, и водорода с веществом. Обычными химическими способами узнать это невозможно. А для мезонного метода здесь нет никакой проблемы. Меченый радиоактивный атом мюония с помощью позитрона, который вылетает при его распаде, «сообщает» о ходе химической реакции из твердого, жидкого или газообразного образца. Это избавляет ученых от необходимости извлекать из исследуемого вещества конечный продукт химической реакции.

Иная судьба у мю-минус-мезона. Как только он затормозится в веществе, атомное ядро сразу же захватывает его на свою орбиту. Отрицательный мюон при этом играет роль «тяжелого» электрона. Так возникает мезоатом — своеобразный «изотоп» существующего в природе элемента. В химическом смысле мезоатом похож на атом реально существующего вещества, который находится в периодической таблице на одну клеточку левее вещества мишени, в которой остановился отрицательный мезон.

Группа научных сотрудников лаборатории ядерных проблем ОИЯИ несколько лет занималась вопросом: почему, образуя мезоатом, мю-мезоны в различных условиях по-разному меняют направление своих магнитных моментов? После многочисленных и разнообразных экспериментов на ускорителе физики наконец поняли, что стали первыми свидетелями интереснейшего явления — химических реакций мезоатома! В мишени, наполненной водой, атомы кислорода захватывали мю-минус-мезоны и превращались в мезоатомы, похожие на атомы азота: модели атомарного азота. И модели эти были действующими.

Атомы мезоазота сталкивались с атомами, молекулами или обломками молекул среды и быстро образовывали химические соединения. И опять у мезонов нарушалась поляризация. А чуткие приборы, регистрируя электроны, вылетающие из мишени после распада мезонов, тотчас улавливали это изменение. По нарушению же поляризации легко определить ход химической реакции.

Водород — одно из главных действующих лиц в органической химии. Почти 90 процентов всех реакций сложных технологических процессов, таких, как крекинг нефти, происходит с участием атомарного водорода. И если бы с большой точностью были известны абсолютные скорости его реакций, то с помощью ЭВМ можно было бы заранее рассчитать оптимальный вариант любого химического промышленного процесса.

На сегодняшний день это пока лишь мечта. Технология будет отлаживаться методом проб и ошибок в течение нескольких лет или даже десятилетий.