Охотники за частицами

Темное поле снимка пересекает толстая горизонтальная полоса — это свинцовая пластинка. Искривленный след говорит о том, что камера работала в сильном магнитном поле. Как мы уже рассказывали выше, такой режим работы камеры впервые осуществил наш замечательный физик Дмитрий Владимирович Скобельцын.

Добавим еще, что снимок ориентирован так же, как и фотопластинка в камере Вильсона: верхняя его часть отвечает участку камеры над свинцовой пластинкой.

Чем же интересна эта фотография?

Сядем вместе с Андерсоном и его коллегой Сетом Неддермайером и займемся анализом снимка. Так сказать, проникнем не в обычную, а в творческую лабораторию ученых.

Сначала идет общее изучение «охотничьей территории». След тонкий, пунктирный. Значит, он принадлежит частице с небольшой массой. По мере удаления от свинцовой пластинки пунктир становится все более редким и наконец прерывается.

В начале своего пути «зверь» энергично задирал встречные молекулы газа, срывая с них электронные «шкуры». Затем, все более растрачивая свою энергию, он все менее мог противостоять сбивающему с пути ветру — магнитному полю: след становился все более искривленным, пока наконец зверь не свалился без сил. Частица тогда затормозилась настолько, что вообще перестала ионизировать встречные молекулы. Тут след и оборвался.

Что с частицей случилось потом?

Об этом мы поговорим ниже. Охотников пока что это не интересует.

А теперь — о необычном. След закручен в сторону, противоположную той, в которую должен был бы быть закручен след электрона. Электрон искривил бы свой путь вправо.

А эта частица закручивается влево, как и полагается… чему?

Андерсон и Неддермайер пытаются сначала предположить, что этот необычный след тоже принадлежит электрону. Только почему-то этот электрон, вместо того чтобы подобно всем космическим частицам двигаться сверху вниз, выбрал обратное направление. Да еще, пройдя через свинцовую пластинку, не уменьшил, а увеличил свою энергию. Диковинный случай, что и говорить!

Наши охотники умышленно сверхосторожны. Семь раз отмерь — один раз отрежь! Это неписаное правило стоит одним из первых в кодексе ученых.

И все же тщательный анализ показывает, что электрон не мог прийти снизу. Даже если бы он преодолел свинцовую пластинку, то потерял бы почти всю свою энергию. Этого, однако, не видно.

Остается единственный вывод: след принадлежит движущейся вниз положительной частице.

И эта частица не протон! Протон такой энергии оставил бы толстый короткий след.

Итак, верхний след может принадлежать только положительной частице с массой, близкой к массе электрона. До сих пор такая частица не наблюдалась. Теперь капкан захлопнулся, частица поймана.

Но Андерсон и Неддермайер не торопятся с выводами. Новые и новые фотоснимки ложатся на стол исследователей. А за океаном в охоту включились еще двое ученых — англичанин Патрик Блеккет и итальянец Джузеппе Оккиалини. Они тоже придирчиво изучают снимки, сделанные с помощью еще более совершенной камеры, чем прибор американских охотников.

К концу 1932 года последние сомнения рассеиваются. Поймана новая частица. Эта частица — тот самый зеркальный двойник электрона. Он получает название позитрона.

Вот один из таких «несомненных» снимков. Прилетел сверху космический фотон. По его энергии, а она, видимо, значительно превышает миллион электрон-вольт, — это фотон довольно жестких гамма-лучей. Или, как его называют проще, — гамма-квант.

Гамма-квант молекул газа практически не ионизирует, а потому в камере следа не оставил. Влетел фотон в свинцовую пластинку, и… остальное видно прямо глазом. Сотворил этот фотон в свинцовой пластине пару из электрона и позитрона, вылетела эта пара из пластины. Начало магнитное поле сбивать новорожденных братьев на кривую дорожку. И разошлись пути зеркальных братьев: положительный налево пошел, а отрицательный направо.

Вот и сказочке конец… Остается дописать лишь некоторые подробности о рождении и смерти позитрона.

Сегодня физики уже не лезут на холм по тому пути, который проложил Дирак. Этот путь все же довольно извилист. Они предпочитают более прямой маршрут, который был освоен учеными в последующие годы.

Этот маршрут мысли можно коротко выразить следующими четырьмя словами: «поле превращается в вещество». Но за этими краткими словами стоит целая эпоха в развитии физики.

Мы не историки этой эпохи. Мы не можем останавливаться на всех перипетиях увлекательной судьбы коренных физических понятий, таких, например, как упомянутые выше поле и вещество.

Образно говоря, и то и другое вырвалось из тех рамок, в которые их поставили физики. Будучи разлучены их родителями, они все же сумели ускользнуть из-под родительской опеки и соединились на радость и на горе физикам.

На радость, потому что было открыто исключительно важное новое свойство материи. На горе, потому что физикам — уж в который раз! — пришлось ломать здание своих представлений, чтобы уделить в нем место новой закономерности.

Именно закономерности. Ибо превращение гамма-кванта в пару из электрона и позитрона, иными словами — превращение кванта электромагнитного поля в две вещественные частицы оказалось не единичным, а совершенно универсальным событием в атомном мире.

Фотон при таком превращении всю свою энергию без остатка отдает своим наследникам, а сам исчезает. Если его энергия значительно превышает удвоенную энергию покоя электрона, то избыток переходит в солидную кинетическую энергию обеих частиц.

Куда же заводят зеркальных братьев их кривые дорожки? Электрон, постепенно растратив свою энергию, будет, скорее всего, съеден каким-нибудь ионом, встретившимся на его пути. С позитроном могут случиться более интересные приключения.

Он может, например, подойти к атому и соединиться с одним из его электронов. Произойдет микровзрыв, и вся энергия, которой обладали «покойные» частицы, перейдет в энергию двух или трех гамма-квантов, а те разлетятся по разным направлениям.

Может позитрон встретиться и со свободно гуляющим в камере электроном. При этом, прежде чем слиться, обе частицы предпочитают сначала немного повальсировать друг подле друга, образовав некое подобие атома водорода. С той, однако, разницей, что при этом уже нельзя сказать, какая из частиц неподвижна, а какая кружится возле нее: обе частицы одинаковы по массе. Такой «атом» физики назвали позитронием.

И здесь позитрон в конце концов (спустя миллиардные доли секунды) кончает свою жизнь, исчезая в паре с электроном. Это исчезновение физики неудачно окрестили латинским словом «аннигиляция», что по-русски означает «превращение в ничто».

Так еще можно было говорить в первые годы после открытия Дирака. Но, с тех пор как место пустоты заняло в рассуждениях физиков поле, аннигиляцию приходится понимать как превращение вещества в поле. И круг замыкается: поле рождает частицы, частицы рождают поле. Вечный круговорот вещества и поля.

Позитрон открыл собой целый список античастиц. О том, как искали их охотники за частицами, мы расскажем в последующих главах.

Глава 5

Открытие невидимки