65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Выяснилось, что время жизни пи-мезона чрезвычайно короткое, примерно 2*10^–8 с (т. е. две стомиллионные доли секунды). Именно такое время жизни предсказывала теория Юкавы. А вот мюон по меркам микроскопических частиц уже долгожитель, время его жизни оказывается в сто раз больше и составляет порядка 10^–6 с (одной миллионной доли секунды). Потом он тоже распадается, и в результате образуется электрон.

Но физики, конечно же, не остановились на этих открытиях. К тому же изучать исключительно частицы, прилетающие к нам в атмосферных ливнях из космоса, не всегда удобно – ведь мы не можем сами задавать их параметры (скорость, энергию, углы прилета и т. д.). Поэтому ученые занялись усовершенствованием своих ускорителей, чтобы на них можно было разогнать частицы до энергий, достаточных для рождения мезонов и исследования их свойств.

Изначально физики-экспериментаторы собирали ускорители для разгона протонов, потому что их относительно просто получить – для этого достаточно от атома водорода «оторвать» электрон (такой процесс называется ионизацией). Идею самого первого ускорителя протонов предложил американский физик Эрнест Лоуренс (1901–1958) в 1929 году, а реализовал в 1931‐м. Основной принцип, положенный в основу работы ускорителя Лоуренса, заключался в том, чтобы при помощи магнитных полей заставить заряженные частицы двигаться по окружности[118] и постепенно их разгонять. Заметим, что само магнитное поле просто закручивает траектории частиц, а не разгоняет их. Но если эти частицы периодически подталкивать короткими электрическими импульсами, то тем самым можно разогнать их до очень высоких скоростей. Ускоритель, работающий по такому принципу, получил название циклотрон. В нем траектории частиц представляют собой спирали, расширяющиеся по мере увеличения скорости. Самый первый циклотрон, построенный Лоуренсом, представлял из себя диск диаметром чуть более 10 см и помещался на ладони. Но уже к концу 1940‐х годов физики строили циклотроны размером с небольшое здание.

Однако при увеличении размеров ускорителей росла и энергия разгоняемых частиц, а их скорость приближалась к скорости света – так что начинали проявляться различные релятивистские эффекты, которые уже нельзя было игнорировать (иначе частицы переставали разгоняться, а пучки разлетались по всему кольцу). Поэтому следующим этапом развития ускорителей стал синхротрон, идею которого предложили независимо друг от друга советский ученый Владимир Иосифович Векслер (1907–1966) – в 1944 году, и американский физик Эдвин Макмиллан (1907–1991) – в 1945 году. При работе синхротрона электрические поля генерируются таким образом, чтобы подгонять в основном отстающие частицы, а тем, что ускорились слишком сильно, давать меньший импульс. Магнитные поля при этом должны увеличиваться синхронно с увеличением энергии частиц, чтобы их траектории оставались круговыми, а не раскручивались по спирали. Тогда частицы не распыляются по всему кольцу, а группируются в виде небольшого пучка, летящего по орбите постоянного радиуса. Все современные циклические ускорители работают по этому принципу.

Синхротроны позволили ученым разогнать протоны до колоссальных энергий. И тут с частицами начали происходить очень странные вещи. При их столкновениях среди осколков, разлетающихся в разные стороны, начали попадаться всё новые и новые частицы. Их стали фиксировать благодаря тому, что параллельно с развитием ускорителей совершенствовались и методы детектирования. Чуть ли не каждую неделю приходили сообщения об открытии очередной элементарной частицы. Да, это были нестабильные частицы, и через очень короткие промежутки времени они распадались. Время жизни некоторых из них составляло от 10^–24 до 10^–22 с. Но тем не менее все они отчетливо фиксировались детекторами. Так что у физиков не было никаких сомнений в существовании обнаруженных частиц.

Этим новым частицам давали необычные названия: К-мезоны, лямбда-гипероны, резонансы и т. д. Все это выглядело, как какой-то «зоопарк»[119]: вновь открытые частицы вели себя порой очень странным образом, распадались, превращались в другие частицы, опять распадались. Физики-экспериментаторы бросились изучать свойства всех этих частиц. Оказалось, что масса многих из них была значительно больше общей массы сталкивающихся частиц. Но как такое может быть? Как «осколки»[120] могут весить больше, чем целые частицы? Обычная квантовая механика не дает ответов на такие вопросы. Поэтому физикам пришлось привлечь для объяснения этих эффектов специальную теорию относительности, в которой разрешается переход энергии в массу и обратно[121]. То есть все эти новые частицы не «живут» внутри протонов, а рождаются в момент их столкновения из той энергии, до которой их разогнали. И чтобы все эти превращения описать, нужна была новая теория. Такое объединение квантовой механики и специальной теории относительности получило название квантовой теории поля.

Вопрос 56. Что такое кварки и сколько их вообще?