Охотники за частицами

И здесь мы вступаем в область сверхвысоких энергий. Здесь мы достигаем сегодня верха энергетической лестницы.

Смотрите, как меняются контуры мира на каждой новой, более высокой ступеньке. Мы с вами живем у подножия этой лестницы. Нас окружает удивительное разнообразие живых существ — многие миллионы видов, и в каждом виде в чем-то хоть немного, но не похожие друг на друга особи. Но энергетически это разнообразие очень непрочно.

Небольшой нагрев — до каких-нибудь 100 градусов по Цельсию, — и живой мир перестает существовать. Гибнут нежные молекулы белков, разваливаются на кирпичики молекулы жиров и углеводов. Молекулярный мир становится беднее.

Следующая ступенька — нагрев до тысячи градусов, и перестают существовать более грубые и выносливые молекулы неорганических соединений, плавятся, испаряются и, наконец, разваливаются на атомы их молекулы.

Мы попадаем в мир атомов. Здесь разнообразие кажется нам довольно бедным. Несколько сотен различных видов, если в их число включить ионы, — атомы с поредевшими электронными оболочками.

Затем настает очередь раскаленной плазмы, в которой атомы постепенно по мере нагрева лишаются своих электронных оболочек. Теперь все разнообразие составляют лишь изотопы сотни ядер.

И наконец еще один — последний на сегодняшний день — подъем по лестнице энергий. Мы достигли цели своего путешествия. Перед нами раскрывается удивительно бедный и однообразный мир, который населяет около ста видов жителей. Именно столько разных элементарных частиц знают сегодня физики.

Бедный и однообразный мир? Попробуйте скажите так физикам! На вас немедленно обрушится град насмешек.

Потрясающе богатый и разнообразный мир! Мир, который с непостижимой быстротой меняет свои краски и очертания. Мир, в котором ничего нет постоянного и твердого, кроме, может быть, тех законов, которые управляют его жизнью. Мир, вечно находящийся в движении и непрестанном изменении.

Мир, не измышленный физиками, а совершенно реально существующий во Вселенной вокруг нас. Мир, в котором можно пробираться лишь с топором труднейшей математики и с рюкзаком, доверху наполненным фантазией. И все-таки пока еще необжитый и непонятый мир.

Это — не хорошо знакомый атом. В мире элементарных частиц на каждом шагу рискуешь встретить неожиданное. Поиск идет в тумане. Туман настолько густ, что свет даже от таких мощных прожекторов, как квантовая механика и теория относительности, глохнет в нем уже на первых метрах пути.

И все же человеческая любознательность необорима. С огромным трудом, почти вслепую, лишь изредка нащупывая вехи в тумане, движется вперед большая, сплоченная армия теоретиков и экспериментаторов. Из маленьких шагов складываются большие.

Временами туман редеет, чтобы затем сгуститься еще плотнее. Сегодня физики находятся в самом сердце нового мира элементарных частиц.

Об этом стоит рассказать. Но с чего начать? Повторить шаг за шагом весь путь физиков, даже по занятой уже ими территории, над которой остались лишь клочья тумана, в этой небольшой книге невозможно. Взять в руки «топор» математики тоже нельзя: он слишком тяжел, и размахивать им под силу лишь тому, кто прошел через годы напряженной физической и математической подготовки.

Остается лишь «рюкзак» фантазии. Вернее, «рюкзак» совершенно необычных представлений, на которые природа натолкнула умы физиков.

Содержимое этого «рюкзака» нам уже немного приоткрылось. Мы узнали о двуликости обитателей микромира, о таинственных спинах частиц. (Это действительно «спины»; сущность удивительного явления еще не повернулась лицом к физикам.) Наконец, мы уже немного знакомы с тем, что составляет сердцевину современных представлений, — с виртуальными процессами. Что же, для начала этого может быть достаточно.

Мы прервали наш рассказ на эпопее косвенного открытия нейтрино. Это 1957 год. Временное затишье, наступившее после лавины новых частиц в начале пятидесятых годов, заканчивается. В действие вступили новые гигантские ускорители частиц. Теоретики добились новых успехов.

И объединенный натиск экспериментаторов и теоретиков словно сорвал замки с еще более глубоких кладовых природы. Начался невиданный до сих пор поток новых открытий. К 1965 году охотники за частицами обнаружили около сотни различных обитателей этого мира.

Как водится, в любой стране время от времени устраивается перепись населения. Государство должно знать, сколько народа в нем живет, кто чем занимается и еще много других вещей о его обитателях.

И физики не избежали необходимой переписи в мире частиц. Удивительно быстро росло открываемое его население. В конце двадцатых годов физики знали достоверно о существовании лишь двух частиц — протона и электрона. К середине пятидесятых годов героическая совместная работа экспериментаторов и теоретиков позволила включить в перепись уже тридцать две частицы.

Сегодня же настала пора провести новую перепись. Открыто уже около ста частиц. И дело не только в быстром росте населения микромира. Главное в том, что физики вынуждены изменить — в который уже раз! — взгляды на их классификацию.

Да, с этого начинается и этим кончается любая перепись. Надо же не только знать, сколько разных частиц обитает в микромире, но и — это самое важное — понять, в каких взаимоотношениях находятся они друг с другом.

Есть ли среди них «родители» и «дети». Есть ли «братья» и «сестры». А установление родственных связей — вещь очень нужная: она позволяет навести порядок в знаниях об этом мире, помогает предсказывать новые, еще не открытые частицы.

Обычная перепись характеризует население в первую очередь такими «устойчивыми», не меняющимися признаками, как пол, имя, отчество, фамилия, национальность, местожительство. Впрочем, и фамилия, и местожительство могут изменяться, хотя и человек при этом зачастую существенно не меняется. Далее следует характеристика, меняющаяся постоянно, — возраст. Затем признак, меняющийся иногда часто, а иногда лишь раз в жизни, — профессия.

Что ж, начнем с первого признака — мужской ли пол, женский ли. Население микромира тоже «двуполо»: оно состоит из частиц и античастиц.

Заряженные электрически частицы отличаются от своих античастиц знаком электрического заряда. Например, протон заряжен положительно, а антипротон — отрицательно. Нейтральные же частицы — тут вопрос посложнее: отличие касается других свойств. Например, нейтрон отличается от антинейтрона магнитными свойствами. Об этом еще будет разговор. И только немногие частицы решительно ничем не отличаются от своих античастиц: это фотон и нейтральные пи- и эта-мезоны. Первый из этих мезонов был открыт несколько позже своих заряженных собратьев. На фотопластинках и в счетчиках он из-за отсутствия электрического заряда следов не оставляет и был обнаружен по косвенным свидетельствам.

Дальше наша перепись начинает резко отличаться от обычной. На первое место выступит… масса обитателей микромира (точнее — их масса покоя). «Возраст» их, как вы увидите, тоже играет роль, и весьма существенную: иначе бы он не попал в перепись, — но масса еще важнее.

И вот почему. Взгляните на таблицу переписи обитателей микромира. Вы сразу замечаете, что все частицы группируются в кучки. Если отвлечься от античастиц — массы их такие же, как у отвечающих им частиц, — то видно, что «расстояния» между массами в пределах каждой кучки, как правило, значительно меньше, чем между кучками.

Одни кучки состоят из одной частицы (и разумеется, ее античастицы), другие — из двух, трех и даже из четырех. Сами кучки группируются в три сорта: первый из них получил название лептонов (легких частиц), второй — мезонов (средних частиц), третий — барионов (тяжелых частиц).

Какие же основания для такого подразделения? Почему физики убеждены в том, что разные массы — значит, разные частицы? Разве не может одна и та же частица иметь разные массы?