Жорж Шарпак - Спогади вигнанця, фізика, громадянина світу, Жорж Шарпак

таємничі промені. Це привело до значних відкриттів. По-перше, 1932 р. Карл Д. Андерсон знайшов у космічному випромінюванні частинку низької маси — як в електрона, проте з позитивним зарядом. Аби збагнути це фундаментальне відкриття, треба зробити невеличкий екскурс у теорію. Рівняння Дірака дає загальний математичний опис електрона в рамках одночасно квантових і релятивістських. Але рівняння допускає два розв’язки: один описує електрон дуже точно. Другий же може видатися зайвим — він відповідає негативним енергіям, погодитися з чим складно. Дірак геніально розтлумачив це як дзеркальний розв’язок, що описує частинку, ідентичну електронові в усьому, окрім заряду.

Більшості фізиків тієї доби це здавалося лише математичним вивертом, уявним віддзеркаленням, проте відкриття Андерсона виправдало наполегливість Дірака. З’ясувалося, що й справді існує позитивно заряджений еквівалент електрона. Відкриття позитрона відбулося завдяки камері Вільсона, в якій можна простежити траєкторії заряджених частинок. Заряд установлюється за кривою, на яку впливає зовнішнє магнітне поле.

Спосіб виявлення у камері Вільсона спирається на конденсацію пари, себто перехід від газу до рідини. Явище спостерігається там, де є електричні заряди. Рух однієї зарядженої частинки приводить до місцевої іонізації впродовж його траєкторії. Іонізація дозволяє притягнути краплини конденсації. На практиці в огородженому просторі, заповненому повітрям і парами алкоголю, підтримується постійний перепад температури. Іони, що утворюються з проходженням частинок, складають щось на кшталт зародку конденсації. «Туман» з’являється там, де є заряди. Нині такий тип детекторів уже не використовують, але в наукових музеях можна побачити їхні сучасні версії.

Нобелівський комітет відзначав цей спосіб двічі. 1927 р. — Чарлза Томсона Різа Вілсона за «метод візуалізації слідів заряджених частинок через конденсацію парів» — тоді Нобелівську премію вперше присудили за технічний винахід; а 1948 р. Патріка Мейнарда Стюарта Блеккета відзначили за «вдосконалення камери Вільсона та зроблені завдяки цьому відкриття в ядерній фізиці та космічному випромінюванні».

Ще одне фундаментальне відкриття є наслідком дослідження космічних променів — відкриття мюона. І знову це стало результатом взаємодії теорії та практики. На відміну від випадку з позитроном, коли теоретичне передбачення не набагато випередило експериментальне підтвердження, на з’ясування ролі мюона знадобилося ціле десятиріччя.

На землю неперервно падає злива електрично заряджених частинок — щосекунди сотня частинок вкриває кожен квадратний метр. Маса частинки, знайденої у 30-х роках, була проміжною між масами електрона і протона, за що й дістала назву «мезона». Мезон здатен з легкістю пройти крізь товсту пластину заліза, зупинитися в ній та розпастися впродовж кількох мікросекунд. Для виявлення було використано «електричний детектор», уперше устаткований схемами випадкового збігу. На першому такому детекторі використовувалася руркова батарея Ґайґера. Рурка Ґайґера заповнена газом, що легко іонізується, переважно аргоном. У її центрі — дріт під високою напругою, тоді як стінки заземлено. Коли заряджена частинка пролітає крізь газ, відбувається іонізація. Оскільки між дротом і стінками прикладено електричне поле, з проходженням частинок електрони вириваються з атомів газу, тож залишаються позитивно заряджені іони. Вільні електрони притягаються позитивно зарядженим дротом, а іони мігрують до стінок. За достатньої напруги електрони швидко розмножуються поблизу центрального дроту, де існує сильне електричне поле — тож на дроті можна зафіксувати електричний сигнал. Рурка може бути до десяти сантиметрів у діаметрі, а напруга досягати кількох кіловольт.

Досліджуючи космічні промені, Джузеппе Окк’яліні і Сесіл Френк Павелл спостерегли два цікаві явища в ядерних емульсіях, виставлених на велику висоту; ці явища прямо показали, що мюон утворюється під час дезінтеграції іншої частинки з проміжною масою. Цей «первісний мезон» дістав назву мезона π-піона — і це та сама частинка, існування якої передбачив Юкава, намагаючись пояснити сильне притягнення між нуклонами внаслідок ядерної взаємодії. Нині лише фізики дуже поважного віку використовують назву «мезон» на позначення мюону.

Спосіб виявлення за допомоги емульсії широко використовувався для дослідження космічних променів. У 1950 р. Павелл одержав Нобелівську премію за «вдосконалення фотографічного методу вивчення ядерних процесів і відкриття, зроблені завдяки цьому методові та стосовні мезонів». Спосіб ґрунтується на тому факті, що заряджені частинки, перетинаючи фотопластинку, іонізують атоми, що їм трапляються. Плівка відіграє роль гелю, іони зберігають заряд і розрізняються під час проявлення емульсії. Щодо отримуваного просторового рішення цей спосіб — незрівнянний: траєкторію частинок можна виміряти з точністю до мікрона, тож його використовують, коли потрібні дуже точні сліди. Але щодо аналізу отриманих результатів цей метод надто складний, а ще — пасивний, адже він не дає жодної інформації про час. Нині цей спосіб переважно заміняють швидкими методами, що дозволяють за короткий час зібрати різноманітні дані.

Що ж це за нова частинка — мюон? Вона може мати як негативний, так і позитивний заряд. За властивостями вона нагадує електрон — окрім маси, яка в 200 разів більша. І це пояснює, зокрема те, чому мюон розпадається, а електрон лишається стабільним. Своїм відкривачам мюон видався надто громіздким для будови матерії. «Хто замовляв таке?» — здивувався фізик Рабі, і це мало означати: «Нащо воно?»

Насправді ж мюон — «перший дзвіночок» другої родини елементарних частинок, які, справді, можуть видатися безглуздими в аспекті будови матерії, адже не беруть участі в утворенні відомих елементів. Розвиток фізики частинок приведе до відкриття інших частинок, значення яких ще не до кінця зрозуміле.

Мюон має властивість перетинати значні товщі матерії, не зупиняючись. Можливо це завдяки тому, що він не відчуває на собі сильної взаємодії. У космічному випромінюванні його можна виявити на поверхні Землі, хоч інші частинки розпадаються або ж поглинаються під час проходження крізь атмосферу. Цю здатність мюонів усюди проникати використали для зондування єгипетської піраміди. За допомоги лічильників, що вимірювали кількість мюонів, які потрапляли до верхньої камери піраміди, зондування в різних напрямках дало дуже цікаву світлину, що не виявила жодної дивної структури.

Отже, космічне випромінювання зробило вирішальний внесок у розвиток фізики частинок, спершу — відкриттям антиматерії, згодом — відкриттям першої частинки з другої родини. Відкрило воно й другий фронт для досліджень: дивності. Адже в космічних променях знайшли цілу родину нових частинок з «дивними» властивостями. Аби дослідити їх, фізики встановлювали детектори на гірських вершинах, адже це відтворює процес розгортання атмосферного пасма. Загальновідомою є станція на вершині Південного піка в Піренеях45.

Ці частинки отримали назву «каонів», або «К-мезонів». З’являються вони у кількості не меншій, ніж π-піони, але «живуть» набагато довше. Каони бувають нейтрального типу і зарядженого типу. Аби збагнути цю загадку, знадобилося послатися на «правило збереження», яке застерігає від надшвидкого розпаду. Згодом фізика К-мезонів стане вельми активною віссю досліджень у прискорювачах. Досліди з метою з’ясування властивостей цих частинок відбуваються й досі.

Перший фантомний гість

До відкриття мюона здавалося, що трьох дійових осіб, уже присутніх на сцені — протона, нейтрона і