Охотники за частицами
Шрифт:
Альфа-излучение радиоактивных ядер с самого начала нашего века благодаря Резерфорду заняло прочное и важное место в арсенале физиков. Бета-излучением до поры до времени мало кто интересовался.
Просто еще один источник электронов! Причем никудышно слабенький даже в сравнении с тусклой электрической лампочкой, из нагретого волоска которой ежесекундно вырываются полчища электронов.
Очередь бета-распада наступила в начале тридцатых годов, когда к нему обратилась квантовая
Однако с самого начала квантовой механике пришлось столкнуться с двумя весьма неприятными для нее обстоятельствами. Вы помните — она лишила электроны пристанища в ядре? Между тем электроны нахально вылетали из ядер! Мало того, они вылетали из ядер с какой угодно энергией!
Вот этого квантовая механика уже никак не могла им простить! Электроны подкапывались под самые ее основы. Ядро, как показывал альфа-распад, — самый настоящий квантовый объект. Частицы в нем имеют ряд дозволенных энергий, наподобие атома. Об этом же свидетельствовали и ядерные гамма-лучи. Они состояли, подобно спектру атома, из ряда узеньких линий.
Спектр ядерных электронов не обнаруживал же и намека на линии! Выходило, что, с одной стороны, ядро — квантовая система частиц, а с другой — вовсе не квантовая. Этого физики не могли стерпеть.
Привыкшие к двуликости мира сверхмалых частиц, они, однако, не признавали такой его двуликости в одном — в энергии. Частица в данных условиях может иметь либо любую энергию, либо только ряд разрешенных ей энергий. Если она совершенно свободна, то ее энергия может быть любой. Если она связана в коллективе частиц, то ее энергия может иметь лишь набор разрешенных значений. Что-нибудь одно! Неважно, атом ли это, ядро или что-то другое: этот закон действителен для всех частиц.
Все это до сих пор говорило о том, что частицы в ядре могут иметь не любую энергию. А вот любая энергия электрона, появляющаяся из ядер, говорила об обратном. Что же, уступить электрону? Даже и не думайте!
У одних физиков это упорство доходило до безрассудства. Спор с электроном затягивался, и горячие головы пустили в ход незаконные аргументы.
Они покусились не много, не мало, как на сам закон сохранения энергии — на краеугольный камень всей физики. Мол, в виртуальных процессах этот закон вроде как бы не выполняется, а здесь, в бета-распаде, уже нарушается не виртуально, а наяву! Правда, эти физики затем быстро одумались.
Спор затянулся — надо его кончать. В 1933 году Энрико Ферми и независимо от него Вольфганг Паули сообщают о том, что победа в споре на их стороне.
Однако им верят далеко не все. Помните, статью Ферми о бета-распаде даже вернули автору? Снова — даже самые выдающиеся теории не сразу завоевывают мир физиков.
Теория Паули и Ферми одним махом разрешила оба неприятных вопроса бета-распада. Электроны летят из ядер, хотя им запрещено там находиться? Так их там и нет: они появляются лишь в тот миг, когда один из ядерных нейтронов превращается в протон, выбрасывая «из себя»… электрон! Оттого-то электроны и вылетают из ядра, что не могут жить в нем. Так что в этом запрете на прописку права квантовая механика.
Электроны имеют любую энергию, хотя
Но распределить между собой унесенную из ядра энергию сообщники могут как им угодно. Это уже вне компетенции строгой квантовой теории. От этого «как угодно» и получается, что электроны имеют любую энергию.
Однако электрон виден всем, а его сообщник что-то незаметен. И этому Ферми и Паули дают объяснение. Во-первых, сообщник не имеет электрического заряда. Во-вторых, он имеет массу, ничтожную в сравнении даже с массой электрона.
Какая-то в миллионы раз более легкая копия нейтрона! И Ферми называет ее ласкательно: «маленький нейтрончик». По-итальянски это звучит: «нейтрино».
Новая частица родилась, но пока что на кончике пера теоретиков.
Как ее искать? Нейтрино не заряжено электрически — значит, ни в счетчиках, ни в камерах, ни в фотопластинках следов не оставляет. Нейтрон также «бесследен», но он хоть оставляет весьма зримые следы, вроде поврежденных ядер и даже, чего хуже, разрушенных до основания городов.
Нейтрино же — форменным образом дух бесплотный! Впрочем, первые косвенные «следы» его появления физики наблюдают уже в довоенные годы. Это изломы следов мю-мезонов. Мы уже говорили об этом не раз. И не раз у читателя мог встать вопрос: а почему, собственно, при распадах мю-мезонов след ломается? Разве не может мю-мезон отдать своему наследнику электрону всю энергию?
Оказывается, не может. Ведь, кроме энергии, у мезона еще есть импульс. Закон сохранения импульса — такой же суровый, как и закон сохранения энергии. А нагрузиться импульсом от в двести раз более тяжелой частицы — это электрону не под силу. Он тут же сбрасывает часть ноши, а ее услужливо подхватывают его сообщники — нейтрино. И здесь происходит дележ добычи!
И, как водится в таких случаях, сообщники разбегаются в разные стороны. Оттого электрон и бежит в сторону от пути своего родителя, оттого и ломается след. Такую же картину спустя несколько лет физики смогли наблюдать при распаде пи-мезонов на мю-мезоны. Здесь тоже присутствовал незримый сообщник в дележе энергии и импульса пи-мезона.
Теперь физики почти безоговорочно уверовали в существование нейтрино. Они, однако, убедились и в другом. Выполненные в те годы расчеты показали, что даже сам дух бесплотный должен выглядеть грубейшим зверем по сравнению с нейтрино!
Нейтрино — это почти непостижимое чудо деликатности. Он может пробежать всю видимую в телескопы Вселенную и не коснуться ни одной частицы! Что там — сквозь Землю! — нейтрино может не задеть ни одной частицы даже в чудовищно плотных недрах звезд.
Вот это да! Стоит ли даже и думать о поимке сверхнеуловимого нейтрино? Можно только поражаться смелости тех людей, которые не спасовали перед этой магией природы, а, поразмыслив, заключили: стоит.
И не только думать о поимке, но и ловить нейтрино! Это были американские физики Клайд Коуэн и Фредерик Рейнс.