Вера Черногорова - Загадки микромира

В случае, когда атомным снарядам не хватало энергии для рождения антинуклонов, антипротонов и антинейтронов, все было очень просто. Происходящая реакция подчинялась закону сохранения энергии и еще одному закону — закону сохранения числа нуклонов.

Но когда энергии ускоренных протонов стало хватать и на рождение антинуклонов, на первых порах началась неразбериха. Закон сохранения числа нуклонов перестал выполняться в ядерных реакциях. Казалось, что процесс рождения новых частиц подчинялся только закону сохранения энергии. Во всем же остальном он был совершенно стихийным.

Энергия, энергия и еще раз энергия! Неужели в микромире она правит безраздельно, не ограниченная никакими законами и правилами?

На первый взгляд кажется, что все именно так и происходит. Сшибаются два протона. В результате реакции столкновения нарождается несколько новых протонов, а также — на радость экспериментаторов — целый сонм антипротонов, нейтронов, антинейтронов и мезонов. Что-то вроде игры в рулетку — забрасываешь свой протон и ждешь, что она тебе в обмен выкинет.

Вскоре физики подметили, что в этой азартной игре не может выпасть произвольное число очков. Есть и в ней свои строгие правила.

Согласно этим правилам физики приписали каждому нуклону +1 очко, а антинуклону –1 очко. Мезоны получили 0 очков. Теперь даже первоклассник легко мог подсчитать, что во всех реакциях общее число очков до столкновения всегда было равно числу этих очков после столкновения.

Очки, которые получали нуклоны, антинуклоны и мезоны, физики назвали барионным зарядом этих частиц. Обнаруженное же правило игры — законом сохранения барионного заряда. Сколько бы ни сталкивались протоны с протонами, с нейтронами или с гамма-квантами, — после реакции возникало столько же новых нуклонов, сколько и антинуклонов.

«Этот закон, — писал профессор Я. Смородинский, — отражает фундаментальное свойство атомных ядер, их устойчивость. При малейшем нарушении этого закона протоны или нейтроны в ядрах исчезли бы, превратившись, например, в позитроны, нейтрино или мезоны. И самим своим существованием мы обязаны тому, что закон сохранения барионного заряда никогда не нарушается».

Есть и другие правила и законы, которым подчиняется рождение элементарных частиц, но сейчас мы не будем останавливаться на них. Перечисление их мало что прояснит в интересующей нас проблеме. Даже познав эти правила, физики не знают, как объяснить и понять эту бесконечную игру: сколько чего выпадет?

Но самое главное — не ясно, откуда берется весь этот ворох частиц, возникающих при столкновении?

Ударьте палкой по ковру — сотни пылинок запляшут в солнечном луче. И никого не взволнует вопрос: откуда они взялись? Всем ясно, что пылинки прятались в ворсинках ковра, пока палка не выбила их оттуда.

А можно ли спросить, где прятались частицы, возникающие на ускорителе при столкновении, например, протонов?

Нельзя. Это бессмысленный вопрос. Они нигде не прятались. Они родились в момент удара. Вспомним: когда протон в радиоактивном ядре превращается в нейтрон, электрон и нейтрино, не говорим же мы, что последние две легкие частицы прятались в ядре! Они просто возникли в момент превращения.

Физики уже давно знают, что протон может превратиться в нейтрон, а нейтрон — в протон. Пи-мезоны распадаются на легкие частицы; тяжелые резонансы — на «странные» частицы и обычные; гипероны и ка-мезоны — на протоны и нейтроны. В то же время протоны больших энергий, сталкиваясь с нуклонами мишени, рождают резонансы, гипероны, нуклоны и мезоны.

Эта взаимная превращаемость элементарных частиц, возможность их рождения и исчезновения неизбежно приводила к мысли о взаимной обусловленности их свойств. Создавалось впечатление, что в образ одной элементарной частицы вносят свой вклад все другие сограждане микромира.

Постепенно идея — «Все состоит из всего» — стала тривиальной. Американский теоретик Д. Чу удачно окрестил ее «ядерной демократией», господствующей в семействе сильно взаимодействующих частиц.

Но, рассуждая таким образом, физикам уже трудно было отделаться от ощущения, что частицы, которые теория именует точечными, на самом деле обладают протяженностью и сложной структурой.

Протоны и нейтроны, эти никогда не исчезающие, а только превращающиеся друг в друга, частицы, кажутся вполне похожими на точку. Но при одном условии: если смотреть на них издалека. Ну а если подойти поближе?