Ирина Радунская - Проклятые вопросы

Теперь эти частицы называют пионами. Они ещё более неустойчивы, чем мюоны. Заряженные мюоны живут лишь одну стомиллионную долю секунды, распадаясь на электрон и нейтрино. Нейтральный пион живёт ещё в 100 миллионов раз меньше. Именно поэтому пион — ядерный мезон Юкавы — был открыт позже мюона, на некоторое время сбившего учёных на ошибочный путь. Как оказалось позднее, пион, вместе с протоном и нейтроном, принадлежит к семейству адронов. Он самый лёгкий представитель этого семейства.

Но, как говорят, лиха беда — начало. За первым мезоном, действительно как из рога изобилия, посыпались другие элементарные частицы. Стала популярной шутка академика Вавилова: «Каждый сезон приносит новый мезон». И это верно отражало положение дел.

Так учёные при помощи космических лучей нашли новый путь изучения строения атомного ядра.

Прежде чем идти дальше, нужно ещё раз возвратиться в 1932 год, когда Гейзенберг предположил, что протон и нейтрон выступают в ядре как два состояния одной частицы, различающиеся только значением квантового числа, которое он назвал изоспином.

Эксперименты с космическими частицами, в которых наблюдалось рождение пионов, показали, что изоспин представляет неведомый ранее закон симметрии, никогда не нарушаемый ядерными силами, открытыми Юкавой. Теперь такие взаимодействия называют ядерными взаимодействиями. Так оказалось, что ядерные взаимодействия не выявляют никакого различия между нейтроном и протоном. Рождение протона при распаде нейтрона, свободно летящего в пространстве, сопровождающееся рождением электрона и антинейтрино, происходит в результате слабых взаимодействий. Именно слабые взаимодействия приводят к отклонению от симметрии изоспина, давая толчок процессу, который ведёт к «самопроизвольному» распаду свободного нейтрона, к одновременному рождению трёх частиц: двух заряженных (положительной тяжёлой частицы — протона, отрицательной лёгкой частицы — электрона) и нейтрального антинейтрино.

Только недавно, после того как выяснилось родство слабых взаимодействий с электромагнитными взаимодействиями, стало понятно, почему слабые взаимодействия ведут к рождению заряженных частиц. Внутри адронов слабые взаимодействия сильнее электромагнитных. Если расстояние между взаимодействующими частицами превосходит радиус адрона, электромагнитные взаимодействия становятся сильнеё слабых.

Вскоре после открытия пиона в космических лучах были открыты другие частицы. Они были массивнее пиона и вели себя весьма странно. По измерению их следов в камере Вильсона и в фотоэмульсиях оказывалось, что они живут 10–10 секунды (десятую долю от миллиардной части секунды), то есть много дольше, чем живут нейтральные пионы. Физики, говоря об этих частицах, называли их странными. Со временем это название утвердилось, так в науке появились странные частицы.

Объяснить длительное, по сравнению с пионами, существование странных частиц на основе ранее установленных законов симметрии и соответствующих квантовых чисел не удалось. Лишь в 1952 году Прайс решился ввести для этого странного свойства новое квантовое число. Он придумал для него соответствующее название «странность». Квантовое число — странность — характеризовало новое свойство микрочастиц, новый тип симметрии в микромире.

В космических лучах постепенно открывали новые частицы. Многие из них оказались принадлежащими к семейству странных частиц.

Перед учёными развернулись новые, трудные, увлекательные и спорные страницы жизни микромира. То, что касалось их поведения в атмосфере, было уже наполовину открытой книгой. И учёные читали её успешно. Было ясно, что космические частицы обладают огромной энергией: их удары по атомам воздуха своей силой могут в масштабах микромира сравниться с атомной бомбардировкой. От одной космической частицы иногда возникают целые ливни частиц, которые в свою очередь обладают большими разрушительными свойствами.

Но о себе космические частицы рассказывали очень неохотно. Физики никак не могли получить сведения о самых первичных частицах, тех, которые вызывают цепную реакцию в ливнях.

Казалось, что может быть проще: оценив общую энергию частиц ливня — учёные уже умели это делать (мы знаем о результативных работах Яноши), — судить об энергии первичной частицы, породившей такой фейерверк. Но… тут на пути исследователей стала неожиданная трудность. Ведь на уровне моря число вторичных частиц достигает миллионов, и ловить их пришлось бы на площади в несколько километров. Ясно, что этот путь ведёт в тупик. Строить счётчики такого размера технически нецелесообразно. Даже на вершинах гор, где «цепная реакция» ливня ещё не развилась в полной мере, число частиц, входящих в один ливень, составляет сотни тысяч.

Как же с ними справиться? Какими приборами их уловить? Может быть, поймать самое первое столкновение?

Но для того чтобы поймать самое первое столкновение на пороге земной атмосферы, исследователи должны были бы поднять свои приборы на аэростатах или ракетах как можно выше, и при этом они столкнулись бы с новой трудностью. Оказывается, количество первичных космических частиц очень невелико. Поэтому на больших высотах, где ливень развился ещё недостаточно, поймать космическую частицу почти невозможно. Здесь, работая с установками малых размеров, пришлось бы ждать частицу… сто лет. Или нужны были бы установки размерами в километры, чтобы за короткое время уловить хотя бы одну первичную частицу.

Значит, надо было создавать более сложную аппаратуру, поднимать её как можно выше и оставлять на высоте как можно дольше.

Интересно, что сама мысль о том, что космические частицы надо изучать в верхних слоях атмосферы и ещё выше, что частицы, падающие на Землю, лишь потомки настоящих первичных космических лучей, возникла гораздо раньше, чем её можно было доказать. Техника воздухоплавания долго тормозила развитие физики космических лучей.

Ещё совсем недавно, даже в тридцатых годах, высота набиралась очень медленно. Пионер исследования космических лучей в стратосфере, бельгийский профессор Пикар, поднялся всего на 16,5 километра. Советский стратостат «CCCР-1» обогнал его на 2,5 километра. С трудом был поднят потолок полётов до 20 километров. Страны и учёные соревновались в преодолении высоты, в увеличении веса аппаратуры, времени пребывания на высоте.

Но преодоление высоты ещё не обеспечивало разрешения задач, поставленных перед собой учёными. По-прежнему состав первичного излучения оставался неизвестным. Исследования оказывались слишком кратковременными. Аппаратура была недостаточно совершенна, так как на высоту нельзя было поднять большой груз. Никому из побывавших в стратосфере не удалось «поймать» первичную космическую частицу. Не помогли и шары-зонды, поднимавшие приборы без человека. Часто аппаратура вместе с шарами-зондами пропадала бесследно, оставив в тайне результаты, зафиксированные в полёте. Новое начало в исследовании космических частиц положил советский учёный, будущий академик Сергей Николаевич Вернов, который разработал дистанционную связь с приборами, помещёнными на шарах-зондах, и научился поднимать в стратосферу сложную аппаратуру весом до 12 килограммов. Для середины тридцатых годов это была огромная победа.

Сведения, переданные автоматами Вернова из стратосферы, содержали известие в том, что почти все первичные космические частицы — это ядра атомов водорода (протоны) и лишь немногие из них — ядра других элементов.

Но каких? Отражает ли состав космических лучей химическое строение каких-то особых небесных тел — родителей космических частиц, или содержание в них ядер различных элементов характерно для строения всей Вселенной?

Ещё в 1948 году, когда удалось поднять на высоту до 27 километров, а затем и до 30–33 километров стопку фотопластинок и изучить следы частиц, проникших в эмульсию, было установлено, что в составе космических частиц, кроме протонов — ядер атомов водорода, имеются многозарядные частицы. Они фактически представляли собой не что иное, как атомные ядра различных химических элементов. Какие же это элементы и каково их соотношение в космических лучах?

Проблема химического состава космических лучей ещё долго оставалась недоступной.

Всё, о чём мы говорили ранее, можно отнести к романтическому периоду исследования космических лучей. Работа с камерами Вильсона и огромными «телескопами», образованными множеством счётчиков заряженных частиц, влекла физиков высоко в горы, где они могли заниматься альпинизмом и лыжным спортом в перерывах, когда установленные приборы «набирали» статистику. Работа с шарами-зондами тоже требовала путешествий к экватору или в полярные зоны для исследований «широтного эффекта» изменения свойств космических лучей под влиянием магнитного поля Земли.