Протоны, позитроны и другие элементарные частицы

На заре XX в. ученые уже знали, что представляет собой атом ― это ядро, окруженное электронами. Но как устроено ядро? Долгое время это оставалось загадкой, и первым за ее разгадывание взялся английский физик Эрнст Резерфорд (1871—1937). Что, если во всех атомах, независимо от того, какому элементу они принадлежат, ядра водородные? — подумал ученый и для проверки пронаблюдал за тем, как альфа-лучи, состоящие из положительных ядер гелия (которые образуются, например, при распаде тяжелых ядер урана), атакуют атомы азота. Время от времени из азотных ядер вылетали какие-то частицы — фотопленка запечатлевала их, но из-за невыразительности изображения Резерфорду и его студентам сложно было что-либо разглядеть. Приходилось почти всю ночь сидеть без света и ждать, пока глаза привыкнут к темноте, а уже потом приступать к эксперименту. Только так исследователи смогли изучить световые отпечатки, и их форма показалась Резерфорду схожей с траекториями кислородных и водородных ядер. Догадка вроде как подтвердилась, и обнаруженные частицы были названы протонами (от греч. «первый») — поскольку водород стоит в таблице Менделеева под номером 1.

Впрочем, дальнейшие исследования показали: протон — это вовсе не то же самое, что ядро водорода; это лишь часть ядра. Водород действительно располагает всего одним протоном, а у остальных элементов атомные ядра могут вмещать и две, и три, и больше таких частиц. Впоследствии ученые выяснили, что протон заряжен положительно и в каждом атоме количество протонов совпадает с численностью отрицательных частиц — электронов, так что они взаимно уравновешиваются. Именно поэтому в обычном состоянии, в отсутствие внешних воздействий, атомы (а соответственно и материя) не заряжены — заряд у них появляется только внутри электрического поля.

Потом Резерфрод заметил, что порядковые номера атомов, соответствующие количеству протонов в ядре, и массы ядер не совпадают. Это натолкнуло его на мысль, что должны существовать еще какие-то частицы, без заряда, не нарушающие равновесие положительных и отрицательных частиц. В 1930 г. данное предположение было подтверждено экспериментами немецких ученых Герберта Бекера и Вальтера Боте. «Обстреливая» легкие атомы лития и бериллия ядрами гелия (альфа-частицами), физики наблюдали излучение, обладающее свойством проходить сквозь любые объекты. Поначалу Бекер и Боте приняли его за высокочастотные электромагнитные гамма-лучи, однако дальнейшие исследования показали: фотонное излучение, как бы глубоко ни проникало в толщу материалов, все же отстает по этим параметрам от излучений лития и бериллия. Ученые рассчитали, сколько весят все протоны атома бериллия, и получили 4 единицы, что весьма удивило их: ядро-то весит 9 единиц — кому принадлежат еще пять?!

Через два года французская ученая Ирен Жолио-Кюри (дочь Марии и Пьера Кюри) и ее муж Фредерик направили новооткрытое излучение на парафин, каждая молекула которого включает несколько десятков атомов водорода, и стали свидетелями того, как некие частицы выбивают из водородных ядер протоны. По мнению британского ученого Джеймса Чедвика, случилось это из-за того, что излучение являет собой поток электрически нейтральных частиц, находящихся в одной весовой категории с протонами. Чедвик повторил опыт Бекера и Боте и увидел, что испускаемые бериллием лучи, попадая в электромагнитное поле, не искривляются, а значит, не заряжены. Так был найден второй компонент ядерной структуры, которого не хватало в картине атома. Позже этот компонент получил название «нейтрон».

В связи с этим открытием соотечественнику Чедвика, Полю Дираку, пришло в голову, что всякая частица должна иметь близнеца-античастицу. Близнецы они потому, что массы у них равные, а «анти-» указывает на «зеркальный» заряд: если частица положительная, то ее антипод отрицательный, и наоборот.

Доказать эту гипотезу смог американский физик Карл Дейвид Андерсон (1905—1991). Ученый поместил в магнитное поле камеру Вильсона, которая содержит перенасыщенный пар и проявляет траекторию движения заряженных частиц посредством оседания капель на ионизированных атомах, и принялся наблюдать, как ведет себя в камере космическое излучение. Фотопленка зафиксировала следы, схожие с треками электронов, но направленные в другую сторону, а если магнитное поле изгибает какие-то частицы противоположно электронам, значит, заряд у этих частиц положительный. Во всем остальном они вели себя так же, как электроны: проходя сквозь 6-миллиметровый слой свинца, сталкивались с атомами вещества и теряли часть энергии.

Просмотрев все снимки, Андерсон заключил, что наблюдаемые космические лучи состоят из положительных частиц — позитронов, которые весят столько же, сколько и отрицательные. Позже выяснилось, что позитроны образуются в электрическом или электромагнитном поле при участии вторичных космических гамма-лучей (возбуждаемых в земной атмосфере первичными лучами — солнечными или галактическими). Причем при рождении каждый позитрон сцеплен в пару с электроном, и заряды у них одинаковые — ведь порции излучения (фотоны) нейтральны, а суммарный заряд должен оставаться неизменным.

В 1914 г., изучая бета-распад, Чедвик обнаружил, что у ядра, выбросившего электрон или позитрон, остается меньше энергии, чем следовало бы. Долгое время физики пытались понять, в чем причина такой неувязки, ведь получалось, что при бета-распаде закон сохранения энергии не соблюдается. В конце концов автор квантовой модели атома — Нильс Бор заявил: в мире микрочастиц энергия сохраняться не обязана. И тут швейцарский физик Вольфганг Паули (1900—1958) рискнул предположить, что энергия истекает из ядра вместе с какой-то незаметной частицей. Поскольку частица не могла быть заряженной, ее назвали нейтроном, но потом обнаружился нейтрон Чедвика с совершенно иными свойствами, и, дабы не было путаницы, итальянский ядерщик Энрико Ферми в рамках подробного описания бета-распада переименовал частицу Паули в нейтрино («нейтрончик»).

Выброс нейтрино объяснял не только потери энергии, но и уменьшение общего количества движения — при этом частица оказалась очень легкой и не способной активно взаимодействовать с другими частицами. Удивление вызывало еще и то, что с солнечным излучением на каждый квадратный сантиметр земной поверхности падает сто миллиардов нейтрино, однако никто этого не замечает. А во второй половине ХХ в. выяснилось, что нейтрино бывают нескольких видов:электронные, открытые Паули, выбиваются вместе с электронами; мюонные же вылетают одновременно с другими частицами — мюонами в процессе распада пи-мезонов.

Собственно, мезон был предсказан в 1930-х японским физиком Хидэки Юкавой (1907—1981). Ученый определил, что не электрические силы держат протоны и нейтроны в ядре, а обмен какой-то третьей частицей (чтобы представить это, можно вспомнить детишек, играющих в мяч: пока идет игра, ее участники не разбегаются). Ядерному «мячику» Юкава дал название «мезон» — «средний», а узнав его массу, понял, что эта частица в 300 раз тяжелее электрона.

Год спустя итальянский астрофизик Бруно Росси выяснил: космическое излучение, которое можно наблюдать на уровне моря, состоит из двух частей. Проникающие потоки частиц способны проходить насквозь через метровые пласты свинца, а ливнеобразующие «попадают в зубы» тяжелых элементов и выбивают множество других частиц, формирующих ливни. По величине заряда, скорости вращения и направлению движения в магнитном потоке проникающие частицы напоминали электроны. Более того, они так же вели себя при столкновениях с другими частицами, вот только энергии теряли гораздо меньше, а следовательно, весили больше.

Чарлз Вильсон (изобретатель камеры, которой пользовался Андерсон) предположил, что, судя по массе, это должны быть протоны, но в проникающем излучении присутствовали как положительные, так и отрицательные частицы. Со своей стороны, Андерсон нашел в космическом излучении частицы,которые в магнитном поле сворачивали с прямого пути не так сильно, как электроны, но круче по сравнению с протонами. Это свидетельствовало о том, что по величине заряда частица сравнима с электроном, а по массе находится где-то между электроном и протоном. Выходит, именно эту частицу и нашел Юкава! — догадался Андерсон и нарек свое открытие мю-мезоном.

Впрочем, прошло всего пару лет, и обнаружилось, что мю-мезон ведет себя совсем не так, как мезон, — в частности, не стремится взаимодействовать с другими «обитателями» ядра и удерживать его от распада. А 10 лет спустя британский физик Сесил Пауэлл (1903—1969) запустил в небо на воздушном шаре светочувствительную пластинку, а после спуска обнаружил на ней следы частиц космического излучения. Изучив следы, Пауэлл идентифицировал частицы, предсказанные Юкавой: они были в 273 раза тяжелее электрона и очень активно участвовали во взаимодействиях. Частице дали имя пи-мезон — чтобы не путать ее с мю-мезоном, а потом оказалось, что последний вовсе не мезон: при распаде он выбрасывает и нейтрино, и антинейтрино, тогда как мезоны излучают что-то одно.

В 1950 г. по продуктам распада был выявлен нейтральный пи-мезон (пион), а мю-мезон между тем получил новое имя — мюон — и славу самой загадочной частицы.