Вера Черногорова - Загадки микромира

Что такое мезохимия?

Вдоль стены большого зала синхроциклотрона ОИЯИ идет ряд отверстий-каналов, по которым из ускорителя «подаются» для экспериментов различные частицы: протоны, нейтроны, пи-мезоны. Там, где проходят пучки мю-мезонов, стоят установки, на которых с помощью этих частиц изучаются важнейшие характеристики химических реакций. Установки эти очень похожи на многие другие, расположенные в зале. В них много «физического» — счетчики элементарных частиц, массивные блоки свинцовой защиты, и нет ничего «химического» — ни колб, ни пробирок, ни перегонных аппаратов. Отсутствует также и непосредственный контакт ученого-химика с исследуемым веществом. Во время работы ускорителя ученые находятся за несколько десятков метров от зала и только по показаниям приборов следят за идущими в веществе мишени реакциями.

Как возник этот новый удивительный метод изучения химических свойств элементов?

Мю-мезон — один из ветеранов таблицы элементарных частиц. Его нашли в космических лучах еще в 1938 году, через несколько лет после предсказания японским физиком-теоретиком X. Юкава легкой нестабильной частицы — переносчика ядерных сил.

Однако быстро откликнувшаяся на призыв физиков частица вскоре разочаровала их: мю-мезон не годился для предлагаемой ему роли. Но тогда возникает вопрос: какое место в природе занимает эта частица, во всем похожая на электрон, но с массой, в двести раз большей? Вопрос, заданный тридцать лет назад, остается и по сей день без ответа, хотя находится в центре внимания физиков.

«По-видимому, — говорит академик М. Марков, — одна из фундаментальных проблем современной теории элементарных частиц — это проблема, связанная с пониманием различий в физических свойствах мю-мезона и электрона и места мю-мезона и электрона в систематике элементарных частиц».

Экспериментаторы, работающие на ускорителях, начиная с 50-х годов детально исследовали свойства быстрых мезонов и мезонов, останавливающихся в веществе. А загадочная частица не выдала своей тайны ученым. Зато именно эти работы стимулировали рождение мезохимии.

Мю-плюс- и мю-минус-мезоны рождаются при распаде более тяжелой нестабильной частицы — пи-мезона. Появляются они на свет в сопровождении нейтрино. А эта удивительная частица всегда награждает свидетелей своего рождения каким-нибудь необычным свойством.

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.