Ядерная физика и физика элементарных частиц

Как наука ядерная физика начала формироваться с конца прошлого века. Ее основатель Э. Резерфорд в 1881 г., еще будучи студентом, выступил с докладом об эволюции материи и высказал революционные для того времени идеи о том, что атомы делимы и разрушимы и что они состоят из более простых частей. Его утверждения были встречены насмешками. Это было время накануне начала новейшей революции в естествознании, как ее назвал позднее В. И. Ленин.

В 1896 г. А. Беккерель открыл явление радиоактивности. Год спустя Дж. Томсон открыл электрон, а еще через два года П. Кюри и М. Склодовская-Кюри открыли радий. Все эти открытия помогли Резерфорду научно обосновать свою идею. В 1902 г. вместе с Ф. Содди он выдвинул гипотезу о том, что радиоактивность есть самопроизвольный (спонтанный) распад элементов с выделением альфа-частиц. В противовес физическим идеалистам, считавшим, что выделение радием большого количества энергии сокрушает закон сохранения энергии, Резерфорд доказал, что эта энергия возникает как энергия распада атома. Он убедительно обосновал превращаемость форм и видов материи, которые считались вечными и неизменными. Этим был нанесен сокрушительный удар по старой метафизике и идеализму в науке того времени.

Позже Резерфорд заявил об открытии атомного ядра, диаметр которого в 100 тыс. раз меньше диаметра атома. В этом ядре сосредоточена почти вся масса атома и его положительный заряд, равный суммарному заряду всех электронов в нейтральном атоме. Эти выводы послужили ученому основанием для создания динамической модели атома по аналогии с моделью Солнечной системы: в центре - ядро (Солнце), вокруг - электроны (планеты). Позже, в 1920 г., Резерфорд предсказал существование нейтрона, спустя 12 лет открытого Д. Чедвиком.

Одной из основных задач современной науки стало исследование микромира, выяснение природы элементарных частиц, из которых состоят атомы и атомные ядра. Ее решение, несомненно, станет важнейшим этапом в познании материи, откроет перед человечеством невиданные перспективы в использовании пока неизвестных законов природы.

С тех пор как была открыта цепная реакция деления атомного ядра, ядерная физика играет исключительно важную роль в научно-технической революции. Изучение ядра породило многие открытия, на основе которых изобретены способы использования атомной энергии. Исследованиям в области физики элементарных частиц и атомного ядра уделяется большое внимание во всем мире. Проникая в глубь атома, ученые стремятся познать природу ядерных сил, обнаружить новые элементарные частицы, раскрыть свойства этих песчинок материального мира.

Вице-президент АН СССР, ректор МГУ, академик А. А. Логунов в статье "Могучий потенциал науки", опубликованной 11 ноября 1977 г. в газете "Труд", писал:

"Значительные усилия прилагаются в нашей стране для развития физики элементарных частиц, которая изучает самые глубокие и общие закономерности строения материи. Эта область науки переживает сейчас важный этап своего развития. Есть основания полагать, что разрешение научных проблем в этой области может привести к коренным переворотам в наших взглядах на строение мира. Несомненно, что ожидаемые открытия будут иметь не только научное и философское, но и практическое значение. Исследования по изучению элементарных частиц находятся сегодня в числе ведущих научных направлений. Для изучения элементарных частиц, этих простейших и минимальных по размерам кирпичиков, составляющих материю, нужна максимальная концентрация энергии. Наши ученые сейчас работают над проектом создания ускорителя заряженных частиц высоких энергий следующего поколения, который будет сообщать ядрам водорода энергию в 25-30 раз большую, чем ускоритель в Серпухове".

Но тайны мироздания постигаются нелегко. К началу нашего века физики установили существование электрона и протона. Все явления природы объяснялись действием только двух сил - тяготения (гравитации) и электромагнитных. Открытие новых элементарных частиц влекло за собой знакомство с новым классом физических явлений.

Ныне науке известно более 300 элементарных частиц и по крайней мере четыре типа их взаимодействия. К гравитационным и электромагнитным прибавились так называемые сильные (ядерные) и слабые взаимодействия. Первые отличаются огромной величиной и коротким радиусом действия. Ядерные взаимодействия в тысячу раз превосходят электромагнитные. Они связывают протоны и нейтроны, обеспечивая устойчивость атомных ядер, и ответственны за рождение частиц при высоких энергиях.

Роль слабых взаимодействий, хотя они и слабее сильных взаимодействий в 100 тыс. миллиардов раз, также исключительно велика (кстати, слабые силы в 10²⁵ раз превосходят гравитационные). Слабые взаимодействия определяют распад элементарных частиц. Их существованием объясняется, например, бета-распад атомных ядер. Целый ряд элементарных частиц, называемых лептонами, взаимодействует с другими частицами только посредством слабого или электромагнитного взаимодействия.

С тех пор как на вооружение ученых поступили ускорители огромных энергий, на первое место выдвинулись исследования множественной генерации частиц. Суть их в том, что при столкновении разогнанной в ускорителе частицы с частицей-мишенью рождаются другие, вторичные частицы, причем их число растет с увеличением энергии налетающей частицы. Элементарные частицы проявляют здесь одну из самых характерных своих черт - взаимопревращаемость.

Как упорядочить многочисленные микрочастицы, разложить их по полочкам? Эта задача давно волнует ученых. В 1965 г. советский физик И. Л. Герловин попытался обосновать существование периодической закономерности элементарных частиц. На ряде примеров он показал, что анатомия атома непрерывно уточняется и что элементарные частицы, подобно атомам, подчиняются периодическому закону.

Число открытых элементарных частиц растет с каждым годом. Пока их принято делить на три группы: тяжелые (барионы), легкие (лептоны) и частицы средней массы (мезоны).

Тяжелые частицы - протон (положительно заряженная частица ядра) и нейтрон (частица нейтральная). Протоны и нейтроны, или, как их часто называют, нуклоны, удерживаются вместе, образуя атомные ядра. Они как бы склеены за счет ядерных сил. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Число протонов в ядре того или иного элемента совпадает с его порядковым номером в периодической таблице Менделеева.

Ядрами испускается гамма-излучение. Получив избыток энергии, ядро переходит в возбужденное состояние, или, как говорят, на один из возбужденных уровней. Различные энергетические состояния называют изомерами. В 1958 г. немецкий физик Р. Мессбауэр сделал важное открытие. Он установил, что если атомные ядра связаны друг с другом в кристаллической решетке, то энергия отдачи передается не отдельному ядру, а всей решетке в целом.

Электрон, относящийся к группе лептонов, - отрицательно заряженная частица. По выражению В. И. Ленина, электрон так же неисчерпаем, как и атом. Рождаются новые открытия ранее неизвестных свойств электрона. Они имеют основополагающее значение для решения важнейших технических задач в области автоматики, кибернетики, вычислительной техники и т. д.

Нейтрино, также относящиеся к лептонам, в отличие от них обладают поразительной способностью беспрепятственно проходить сквозь любые преграды, в том числе сквозь галактики, звезды, планеты и т. п. Из-за слабого взаимодействия нейтрино с веществом их долгое время не удавалось обнаружить. Гипотезу о существовании нейтрино выдвинул в 1930 г. швейцарский физик В. Паули, пытаясь объяснить безвозвратную потерю энергии при бета-распаде ядра.

Ядерная физика тех лет столкнулась с проблемой, которая снова ставила под сомнение закон сохранения энергии. Этой проблемой был бета-распад. Теперь известно, что случаи бета-распада ядер не что иное, как один процесс - превращение нейтрона внутри ядра в протон с одновременным рождением электрона. Но тогда нейтрон только предстояло открыть.

Понадобилась еще четверть века, чтобы доказать справедливость гипотезы о существовании нейтрино - частицы, не имеющей заряда, с массой, равной нулю (или близкой к нему), и длиной свободного пробега больше видимых размеров Вселенной. Основоположником новой области физики - физики нейтрино высоких энергий - стал академик Б. М. Понтекорво. Неуловимая частица, которая не может находиться в состоянии покоя, уносит с собой не только "исчезнувшую" энергию, но и "исчезнувший" импульс. Пока никто не знает, куда они исчезают.

За последние годы были созданы очень чувствительные приборы, позволившие в 1965 г. зафиксировать несколько нейтрино из Солнца. Это очень важно для исследования космоса.

До недавних пор практически вся информация о звездах и галактиках была основана главным образом на наблюдениях идущего от них света, радиоизлучения или рентгеновских квантов - одним словом, фотонов. Но фотоны легко поглощаются веществом, и до нас доходят лишь те из них, которые родились в ближайших к Земле слоях Вселенной. А нейтрино, возникшее при ядерных процессах в далеких звездах, свободно достигают Земли, неся с собой важную информацию. Уже сейчас есть нейтринные телескопы, которые в отличие от обычных сооружают глубоко под землей, чтобы до них не доходили никакие другие элементарные частицы.

Возможность постановки нейтринных исследований на ускорителях была обоснована советскими физиками. Ускоренные протоны ударяют в мишень и при столкновении с ядрами вещества рождают пи- и к-мезоны, от распада которых получаются нейтрино. На Серпуховском ускорителе Института физики высоких энергий вступил в строй комплекс - канал для пучка нейтрино высоких энергий, образующихся при распаде пи- и к-мезо-нов.

Совершенно уникальной считается советская установка "Скат" (Серпуховская камера тяжеложидкостная). Она позволяет проводить измерения с высочайшей точностью. При ее сооружении был использован многолетний отечественный и зарубежный опыт, накопленный в процессе создания и эксплуатации пузырьковых камер. За каждый цикл работы Серпуховского ускорителя пучок частиц, который мощные магниты выхватывают с кольца, рождает 1010 нейтрино. В среднем лишь примерно за 30 циклов ускорителя нейтрино оставляет след- рожденные им частицы дают тонкую цепочку газовых пузырьков.

В связи с получением в конце 1975 г. с помощью установки "Скат" первых фотографий нейтринных взаимодействий вице-президент АН СССР А. А. Логунов отмечал: "Нейтринная физика вторгается в пока еще неведомую область слабых взаимодействий и обещает открыть факты, необходимые для развития теории, которая объединит и, возможно, объяснит природу этого и других видов взаимодействий. Нет сомнения в том, что такое познание даст в руки человеку ключи к неисчерпаемым запасам энергии, скрытым в веществе. Конечно, пока это фантазия. Заманчивая конкретная цель, которая, возможно, окажется достижимой в наших нейтринных экспериментах, - поиск гипотетических частиц, обладающих очарованием. Таким ненаучным термином назвали предполагаемое квантовое число, характеризующее частицу".

Информацию о механизме генерации энергии внутри звезд способны дать прямые методы наблюдения за процессами в их недрах. Таким принципиально новым методом изучения природы является нейтринная астрофизика. Ввиду актуальности проблем нейтринной астрофизики было принято решение о создании специализированного комплекса для проведения соответствующих исследований. В канун 60-летия Великого Октября завершено строительство первой очереди уникального физического комплекса - Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований АН СССР.

Здесь пущен в постоянную эксплуатацию крупнейший в мире подземный нейтринный телескоп, открывающий новые пути познания фундаментальных законов, управляющих эволюцией Вселенной. Телескоп полностью оснащен отечественным оборудованием, позволяющим регистрировать нейтрино, возникающие при гравитационном коллапсе звезд в любой точке нашей Галактики. Сооружение второй очереди обсерватории, которая будет оснащена радиохимическими детекторами высокой чувствительности, позволит регистрировать нейтрино от Солнца, осуществить программу его нейтринной спектроскопии, окончательно проверить представления о механизме генерации солнечной энергии.

Как уже было сказано, нейтрино проходит через Вселенную не изменяясь. Не идеальный ли это вариант для связи с иными цивилизациями? Об этом также мечтают исследователи этой частицы.

Науке предстоит пополнять наши сведения об элементарных частицах. Отмечая главные задачи в этой области, заведующий лабораторией теоретической физики Института атомной энергии имени И. В. Курчатова профессор, доктор физико-математических наук Я. А. Смородинский рассказывает:

"В последние годы, вероятно, именно в области элементарных частиц экспериментальные открытия были наиболее сенсационными. Во-первых, это открытие так называемых очарованных частиц - некоего класса частиц, которые возникают и наиболее четко фиксируются при столкновении электрона с позитроном, имеют массу, равную примерно 3,5 массы протона, и очень медленно распадаются. В отличие от огромного семейства ластиц, так называемых резонансов, очарованные частицы живут необычайно долго - целых 10^-19 с. В сравнении с коротким мигом жизни многих представителей микромира это вечность. Очарованных частиц сейчас открыто целое семейство. Появление этих новых, почти стабильных частиц с довольно простыми свойствами заставляет подозревать, что существуют очень простые системы с очень простыми законами, которых мы пока не понимаем.

Вторая область - это область слабых взаимодействий. Сейчас очень важно узнать, связаны ли со слабым взаимодействием какие-то новые частицы, которые иногда называют промежуточными. Предполагается, что они вылетают при распаде, скажем, нейтрона, превращаясь потом из протона в электрон и нейтрино. А может быть, процесс идет как-то иначе. Необычайно важен вопрос, как связано слабое взаимодействие с другими процессами, как оно вписывается в нашу картину мира. Очевидно, предстоит строить очень большие ускорители, чтобы понять чрезвычайно важные, фундаментальные вопросы: есть ли промежуточный мезон или его нет, есть ли частицы, которые ответственны за слабое взаимодействие, например за бета-распад, в том же самом смысле, как фотоны - кванты света - ответственны за все электромагнитные процессы?"

В связи с этим весьма перспективны созданные в Институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР под руководством академика А. М. Будкера установки с использованием метода встречных пучков. В отличие от традиционной постановки эксперимента, когда ускоренные частицы бросаются на неподвижную мишень, в установках со встречными пучками снаряд и мишень движутся навстречу друг другу с равными скоростями. Это дает громадный выигрыш в энергии, особенно в ультрарелятивистской области, когда энергия частицы много больше энергии покоя. Разработка метода встречных пучков позволила ставить эксперименты в области сверхвысоких энергий, недоступные для обычных ускорителей. Большие надежды возлагаются на встречные позитроны - электронные пучки, воплощенные в комплексе ВЭПП-4, на котором будет получена максимальная в мире энергия частиц.

Большой интерес для науки и практики представляют частицы третьей группы - мезоны. В настоящее время насчитывается более 30 их разновидностей. Пучки мю-мезонов, пи-мезонов и т. п. удается получать на ускорителях. Физики научились добывать и мезоатомы, т. е. атомы, поглотившие мезоны. Их можно использовать по аналогии с веществами, меченными обычными радиоактивными атомами.

Мезоны интенсивно исследуются более 30 лет. Именно они определяют ядерные силы, или сильные взаимодействия, связывающие протоны и нейтроны в ядрах атомов.