Мезон, да не тот

Эта фотография трека частицы в камере Вильсона в свое время считалась наиболее убедительным доказательством существования новой частицы, получившей сначала название мезотрон, или "мю-мезон", а сегодня известной как мюон. Назвать эту фотографию отправной точкой открытия было бы преувеличением. Подобные частицы и прежде наблюдались в космических ливнях - потоках вторичных частиц, образующихся в верхней атмосфере под действием космических лучей, и физики давно ломали голову над их природой.

Поначалу предполагали, что первичное космическое излучение, приходящее в атмосферу, представляет собой потоки электронов, и частицы, наблюдаемые на уровне моря и способные проникать сквозь слой свинца, есть не что иное, как электроны высоких энергий. Это предположение, однако, не согласовывалось ни с наблюдаемой (на макроскопическом уровне) асимметрией потока космических лучей в экваториальном направлении, ни с поведением проникающих частиц (в камере Вильсона): в отличие от электронов они теряли мало энергии на излучение. Наблюдаемые частицы не могли быть и протонами высоких энергий, поскольку последние вызывают в камере гораздо более сильную ионизацию. Оставалось лишь признать, что проникающее излучение состоит из совершенно новых частиц, масса которых меньше массы протона, но больше массы электрона.

Приоритет в открытии новой частицы следует отдать по меньшей мере двум группам исследователей: под руководством Дж. Стрита и Э. Стивенсона в Гарвардском университете и С. Неддермейера и К. Андерсона в Калифорнийском технологическом институте. И те и другие исследователи сумели преодолеть трудности, связанные с низкой концентрацией частиц на уровне моря; с этой целью они использовали схему совпадений, запускавшую камеру Вильсона только в тех случаях, когда внешний и внутренний счетчики Гейгера одновременно регистрировали частицу с достаточно высокой энергией. Масса частицы оценивалась по интенсивности создаваемой ею ионизации (которая измерялась числом сконденсировавшихся капель вдоль трека) в зависимости от напряженности внешнего магнитного поля.

Здесь воспроизведена фотография, "представляющая особый интерес", которую Неддермейер и Андерсон опубликовали в 1938 г., - она была сделана в камере Вильсона, заполненной гелием и аргоном. Ученым посчастливилось впервые зарегистрировать проникающую частицу в конце пролета - после того, как она прошла через медную трубку внутреннего счетчика Гейгера (показан в центре). На оригинале фотографии можно также различить едва заметный след позитрона, образовавшегося в результате распада новой частицы в том месте, где трек обрывается. Левая половина фотографии представляет собой прямое изображение, а правая - зеркальное; это было сделано для удобства изучения снимка в стереоскопе. "Очевидно, - утверждали физики из Калифорнии, - что трек не может принадлежать частице ни с массой протона, ни с массой электрона". Новая частица имела положительный заряд, а ее масса, согласно оценкам, в 240 раз превышала массу электрона. (По современным данным, масса мюона в 207 раз больше массы электрона.)

Любопытно, что вначале мюон был принят за другую частицу. Находясь, несомненно, под впечатлением точного теоретического предсказания Дираком существования позитрона и последующего экспериментального подтверждения его Андерсоном (см. Открытие позитрона), ученые - зная о том, что японский физик X. Юкава предсказал существование частицы с массой именно такого порядка, - пришли к ошибочному заключению, что это и есть "мезон Юкавы". Последний был отождествлен в 1947 г. с пи-мезоном, или пионом, открытым в Бристольском университете С. Пауэллом совместно с Ч. Латтесом и Дж. Оккиалини.

1937 г. Калифорнийский технологический институт, Пасадена. С. Неддермейер и К. Андерсон Камера Вильсона, заполненная гелием и аргоном, в магнитном поле 7900 гаусс, управляемая счетчиками Гейгера Музей науки, Лондон [103, 209, 210, 237]