Загадка «тета-тау»

Великолепные фейерверки элементарных частиц вскоре перестали поражать воображение первооткрывателей. Регистрация каждого следующего резонанса — а число их перевалило за сотню — доставляла исследователям те же эмоции, которые владеют медицинской сестрой при взгляде на длинную очередь больных.

Если бы цель и задача физики микромира заключалась только в «выписывании паспортов» для все новых и новых частиц, то больше не о чем было бы и рассказывать.

«Человек осваивает Землю, и этот процесс непосредственно связан с расширением его знаний о законах природы», — писал физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии Е. Вигнер. Следовательно, цель науки не только открытие и описание явлений и процессов, протекающих в природе. Главное — поиски закономерных связей между ними.

Несколько столетий назад были открыты и изучены три основных закона механики — закон сохранения энергии, закон сохранения импульса и закон сохранения момента количества движения. На эти три закона сохранения опирается вся классическая физика.

Открыв атомное ядро и элементарные частицы, ученые проникли в новую область природы. Здесь впервые обнаружилась ограниченность некоторых законов макромира. В микромире действовали свои, квантовые законы. Атомы и элементарные частицы тоже подчинялись трем великим законам сохранения, но описывались уже не механикой Ньютона, а механикой квантовой.

До начала XX века физики не подозревали, что существует прямая связь между тремя законами сохранения и такими простыми свойствами пространства и времени, как их однородность и одинаковость физических свойств по всем направлениям, называемая изотропностью.

Закон Ома для электрических цепей прекрасно выполняется как в московской школе, так и за тысячи километров от нее — в школах Индии. А почему этот, и любой другой, закон природы «работает» сегодня так же хорошо, как вчера, а завтра наверняка будет таким же, как и сегодня? Да все потому, что пространство и время, в которых мы живем, однородны. Их свойства везде и всегда одинаковы.

Мы никогда не обращаем внимания на это обстоятельство. Оно вроде бы нас и не касается. А судьбы законов природы — быть им или не быть? — прямо зависят от свойства однородности, симметрии, присущего пространству и времени.

Слово «симметрия» обычно вызывает ассоциацию только с образами геометрически симметричных предметов. Но понятие симметрии в общем смысле связано с единством двух противоположных моментов — сохранения и изменения. Симметрия — это сохранение каких-либо элементов по отношению к определенным изменениям.

После создания теории относительности и квантовой механики неожиданно выяснилось, что все три закона сохранения, которым подчиняются макромир и микромир, всего лишь следствия более общих положений, а именно: принципов симметрии пространства и времени! И с тех пор эти фундаментальные принципы природы заняли самую верхнюю ступеньку в иерархической лестнице физических понятий.

Сперва физики не сомневались в справедливости этих принципов. Но вдруг как гром с ясного неба возникла загадка «тета-тау», как ее записали в свои анналы физики. Суть этой загадки сводилась к единственному вопросу: одна частица или две?

Виновниками загадки стали тяжелые частицы ка-мезоны. Сразу же после их открытия ка-мезоны привлекли к себе пристальное внимание физиков и получили прозвище «странных» за феноменальную способность рождаться в сильных взаимодействиях между частицами, а распадаться — в слабых. В те мгновения, когда мезоны доступны наблюдению, ученые узнали о них не меньше удивительных историй, чем иной энергичный журналист о какой-нибудь знаменитой кинозвезде за много месяцев.

Обнаружилось, что под названием «ка-мезон» скрывается сразу три типа элементарных частиц. Одни из них нейтральны — ка-ноль-мезоны, другие имеют положительный — ка-плюс-мезоны, а третьи — ка-минус-мезоны — отрицательный электрический заряд.

История первая произошла с ка-плюс-мезонами. Обычно они распадаются на более легкие частицы несколькими способами, и в этом не было ничего удивительного. Удивление вызывало вот что. По теоретическим представлениям, два из этих способов распада были таковы, будто они принадлежали не одной и той же частице, а двум разным. Соблазн приписать эти способы распада одной частице упирался в табу, исходящее из еще одного общего закона, который называется законом сохранения пространственной четности.

Четность — это математическое понятие, и его трудно объяснить с помощью одних только физических представлений. Четность — свойство специальной волновой функции, которая в квантовой механике описывает состояние элементарной частицы. А закон сохранения пространственной четности означает, что параметр этот не должен меняться.

Неспециалисту эти слова мало что говорят. Но эпитет «пространственная» у слова «четность» уже намекает на то, что этот закон появляется в квантовой механике как прямое следствие неизменяемости пространства при его зеркальном отражении.

Физики в прошлом уже знали, что зеркальное отражение координат, когда их знаки заменялись противоположными, а левое и правое менялось местами, микромира не касалось. Реальные процессы в микромире обладали пространственной, или, как ее называют, P-симметрией. Казалось твердо установленным, что природа не знает, где у нее «право», а где «лево».

Но вот обнаружились новые типы распадов ка-плюс-мезонов. И это заставило физиков призадуматься. Признание того, что одна и та же частица в одних и тех же условиях распадается так, как будто у нее меняется четность, заставляло предполагать, что причиной этого являлось нарушение закона сохранения пространственной четности. Но об этом нарушении, связанном с принципом зеркальной симметрии, вытекающим, в свою очередь, из однородности пространства, было даже страшно подумать!

Поэтому физики решили считать, что существует не один сорт ка-плюс-мезонов, распадающихся двумя способами, а два с противоположной четностью, которые и распадались по-разному. Их назвали тета-мезоны и тау-мезоны.

Казалось, инцидент был исчерпан, но это не принесло спокойствия ни теоретикам, ни экспериментаторам. Ученые привыкли докапываться до самой сути, не оставляя неясностей и недомолвок. А здесь было и то и другое.

Никто не понимал, почему неразличимые экспериментально, с одинаковой массой и временем жизни тау- и тета-мезоны распадались по-разному? Может быть, это все-таки была одна и та же частица? Но тогда рушилось убеждение в незыблемости фундаментальных принципов симметрии.

«Положение, в котором очутились физики в то время, — вспоминал один из ученых, — подобно положению человека, нащупывающего выход из темной комнаты; он знает, что где-то должна быть дверь, ведущая наружу, но в каком направлении эта дверь?»

Выбраться «наружу» удалось только в 1956 году. Первыми «отыскали дверь» американские физики Ли Цзун-дао и Янг Чжень-ним. Но выбрались они через эту дверь, как всем казалось, самым неподходящим способом. Они «стерли» слова «тета» и «тау» и заявили, что существует все же только один сорт ка-мезонов — с положительным электрическим зарядом.

Это было необыкновенно смелое заявление. Два американских физика подвергли тем самым сомнению незыблемый доныне закон сохранения пространственной четности. Новая гипотеза дерзко провозглашала, что в распаде ка-мезона при слабом взаимодействии нарушалась зеркальная симметрия пространства!

Так, значит, пространство неоднородно?! В это невозможно было поверить. Ведь все другие эксперименты подтверждали строгое выполнение закона сохранения четности и в атомных явлениях, и в сильных взаимодействиях между частицами!

Ли и Янг первыми поняли, что все проверки принципа зеркальной симметрии «могут не иметь цены в этой не исследованной еще области исчезающе слабых взаимодействий».

Раскрытию существования в природе слабого взаимодействия, которое в сто миллиардов раз слабее электромагнитного, «уже сопутствовало временное сомнение в справедливости закона сохранения энергии». Помните, при каких обстоятельствах было провозглашено и открыто нейтрино? Теперь же слабое взаимодействие покушалось еще на один фундаментальный принцип природы.

Известный физик-теоретик Ф. Дайсон вспоминал, что он «прочел статью Янга и Ли еще в рукописи дважды и сказал: „Это очень интересно“, или еще какие-то слова в этом роде. Но у меня не хватило воображения воскликнуть: „Бог ты мой, да ведь если это правда, то это открывает целую новую область в физике!“ И я думаю, что все остальные физики, за очень небольшими исключениями, были в то время так же лишены воображения на этот счет, как и я».

Даже гипотеза, не вызывающая возражений, буквально витающая в воздухе, и та не получает права гражданства, пока не подтвердится на опыте. А что уж говорить об этой принятой в штыки идее.

Все должен был решить эксперимент, в котором прямо бы проверялась зеркальная симметрия пространства.

Путешествие в Зазеркалье

Многие уверены, что в зеркале они видят своего двойника. Но если присмотреться к нему повнимательней, то нетрудно заметить, как сильно он отличается от оригинала. У зеркального отображения приподнят правый угол рта, а не левый, да и нос у него смотрит в другую сторону. Левое и правое поменялись местами: сердце у человека из Зазеркалья находится справа, а селезенка — слева.

Человек несимметричный объект. Он не обладает пространственной симметрией и поэтому никогда не встретит в сказочной стране Зазеркалья полностью идентичного себе двойника.

А в мире элементарных частиц, как казалось физикам, все процессы совпадают со своими зеркальными двойниками.

Теперь же, после появления гипотезы Ли и Янга, предстояло устроить «очную ставку» процессу радиоактивного бета-распада ядер (оригинал) с его зеркальным изображением. Процесс распада ка-плюс-мезонов был неудобен для такой проверки из-за их малого времени жизни — 10–10 секунды.

Для получения и изучения ка-мезонов понадобились сверхмощный ускоритель и огромные приборы для регистрации ядерных процессов. При участии этой впечатляющей техники и возникла знаменитая загадка «тета-тау».

Разгадка этой тайны была найдена в простом, очень тонком, как говорят физики — настольном, то есть поставленном в лаборатории, вдали от ускорителя, эксперименте. Выбор пал на радиоактивный изотоп химического элемента кобальта. Он хорошо известен тем, что дал название медицинскому прибору — кобальтовой пушке.

Давно известно, что в результате слабого взаимодействия в ядрах кобальта при его бета-распаде нейтроны самопроизвольно превращаются в протоны и одновременно вылетают из ядра электроны и нейтрино, а вслед за ними — гамма-кванты, те самые, которые используются для лечения больных. При этом электроны вылетают преимущественно вдоль оси магнитного момента ядра. До 1956 года все физики считали оба направления вдоль оси равноправными — и прямое и обратное; ведь пространство-то однородно! Сколько электронов вылетает вправо, столько же и влево. То есть они считали, что процесс бета-распада ядра кобальта зеркально симметричен. После опытов с ка-мезонами зародилось в этом сомнение. Все надо было проверить на опыте. Но эксперимент можно было поставить лишь в том случае, если бы удалось все ядра кобальта выстроить так, чтобы магнитные моменты их совпадали с направлением внешнего магнитного поля, создаваемого катушкой. Тогда оставалось бы только сравнивать число электронов, попадающих в счетчик при одном направлении внешнего поля, с числом электронов при противоположном направлении поля. Это была бы, по сути дела, проверка существования зеркальной симметричности радиоактивного бета-распада кобальта.

Но атомные ядра не кегли, расставлять которые не составляет большого труда.

Может быть, есть еще способ ориентировки ядер? Один ученый хорошо сказал, что единственная «рукоятка», взявшись за которую можно поворачивать ядро атома, — это его магнитный момент. Но рукоятка эта так сильно сцеплена с магнитным моментом всего атома, что повернуть ее можно, только повернув весь атом.

Полгода длилась подготовка к штурму загадки «тета-тау». В специальном криостате замирали атомы кобальта, замороженные до температуры на один лишь градус выше абсолютного нуля. Тепловое движение уже не могло мешать внешнему магнитному полю командовать атомным «парадом».

Руководила этим экспериментом американская ученая доктор By Цзянь-сюн из Колумбийского университета.

«Я помню, — рассказывал впоследствии Ф. Дайсон, — как в октябре 1956 года я встретил Янга и сказал ему: „Было бы все-таки здорово, если бы эти опыты By что-нибудь дали“. — „Да, — ответил он, — это было бы здорово“, — и продолжал мне рассказывать о своих вычислениях в теории неидеальных газов. Я думаю, что даже и он в то время не понимал ясно, насколько здорово это было бы».

Эксперимент By, на подготовку которого было затрачено полгода, длился всего пятнадцать минут. Едва физики включили аппаратуру, как сразу же поняли, что в слабых взаимодействиях принцип зеркальной симметрии пространства нарушается. Против направления магнитного поля электронов вылетало значительно больше, чем по его направлению.

Путешествие в Зазеркалье не совершилось! Неслыханное дело! Слабое взаимодействие отличало друг от друга правое и левое направления. Обнаруженный на опыте преимущественный вылет электронов в одном направлении, как и приметы несимметричности у человека, исключал существование зеркального двойника у процесса бета-распада атомных ядер. Действительно, в обычном зеркале, назовем его «P-зеркалом», бета-распад ядра выглядел по-другому: там электроны вылетали в основном по направлению магнитного момента ядра. А такого процесса в природе не существует.

Трудно описать волнение физиков. Теоретики пытались осознать полученный результат. Экспериментаторы принялись исследовать другие процессы, связанные со слабым взаимодействием, которые еще не проверялись на «верность» принципу зеркальной симметрии. Еще тлела надежда, что еретический результат опыта с бета-распадом в других явлениях не подтвердится.

Но все измерения приводили к одному и тому же выводу: в сильных взаимодействиях принцип зеркальной симметрии непоколебим, а в слабых не действует.

Атомная физика впервые вскрыла ограниченную применимость некоторых законов механики Ньютона. И вот теперь в мире элементарных частиц обнаружилась неуниверсальность, ограниченность фундаментального принципа симметрии пространства.

Каким же теперь надо представлять наше пространство?

Неужели его идеальная однородность и его симметрия иллюзорны? И как это согласовать с тем, что все процессы в мире элементарных частиц подчиняются закону сохранения импульса, который как раз и есть следствие однородности пространства?

Первые «жертвы»

Ли и Янг оказались правы. В природе существовал только один сорт ка-плюс-мезонов, распад которых иногда не подчинялся закону сохранения пространственной четности. Принцип зеркальной P-симметрии в слабых взаимодействиях нарушался. Слабому взаимодействию, как и другим зеркально несимметричным явлениям, вход в Зазеркалье был запрещен. Но не успели физики прийти в себя после перенесенного потрясения и обдумать возникшие вопросы, как на них обрушилась еще одна новость.

Экспериментаторы обнаружили, что позитронный радиоактивный распад другого изотопа кобальта, при котором из ядра вылетает античастица электрона — позитрон, происходит не так, как электронный: позитроны вылетали в противоположном направлении.

Новое сообщение произвело на ученых не меньшее впечатление, чем первое. Но что их так взволновало? Почему, собственно говоря, позитронный распад ядер должен происходить так же, как электронный?

А как было не волноваться, если на полном совпадении, на идентичности этих двух процессов настаивал один из основных принципов физики элементарных частиц, принцип зарядовой симметрии, или C-симметрии (от английского слова «charge» — заряд).

«Лет сорок назад, — писал Л. Окунь, — идея зарядовой C-симметрии уравнений физики казалась странной даже самим создателям квантовой механики. Однако вся структура основных уравнений требовала такой симметрии, и последующие открытия на опыте античастиц блестяще ее подтвердили».

«Аналогичные процессы с участием частиц и античастиц, — провозглашает теория, — происходят одинаково». Но теория теорией, а практика с электронами и позитронами, вылетающими в аналогичных процессах радиоактивных распадов ядер, показывает ученым, что это не так. Оказывается, в слабых взаимодействиях отсутствует не только зеркальная симметрия пространства, но и зарядовая симметрия! «Но как же можно было возводить в принцип положение, которое не проверялось на опыте?» — спросит иной читатель.

Да в том-то и дело, что проверялось, и проверялось не раз, но только не со слабыми взаимодействиями. И всплыл этот, доселе успешно скрывающийся от физиков парадокс лишь в опытах, где исследовались процессы, подчиняющиеся слабому взаимодействию.

Если нарушение зеркальной симметрии всем казалось связанным с необычными свойствами самого пространства, а частицы были вроде ни при чем, то нарушение зарядовой симметрии затрагивало уже свойства самой материи. Ведь электрон является элементарным кирпичиком обычной материи, а позитрон — элементарным кирпичиком антиматерии. Эти опыты сразу же поставили перед учеными два гигантских вопроса. Один — относительно свойств пространства, а другой — связанный, по-видимому, с различием между частицами и античастицами. Не разрешив их, невозможно было двигаться вперед.

И все-таки спустя некоторое время физикам удалось распутать этот сложнейший клубок проблем. Представьте себе, что существует такое необычное зеркало, назовем его «зарядовым», или «C-зеркалом», в котором частицы выглядят как античастицы. Тогда электроны, вылетающие при радиоактивном распаде ядра перед этим зеркалом, кажутся в нем не «зеркальными электронами», а позитронами, летящими в том же самом направлении, что и электроны. Получившаяся отраженная картина — зеркальное изображение реального процесса — еще «безжизненна», безжизненна в том смысле, что она не похожа ни на один реально существующий в природе процесс. И тогда выходит, что «C-зеркало» в слабых взаимодействиях тоже не работает.

Но постойте, ведь с чем-то подобным мы уже сталкивались раньше, когда оперировали с обычным «P-зеркалом». В нем изображение страдало другим недостатком: электроны оставались электронами, только вылетали они в обратную, «неправильную» сторону. А что, если использовать оба эти непригодных зеркала одновременно и посмотреть, как будет выглядеть наш процесс?

Оказывается, электроны в нем станут позитронами и вылетать будут в сторону, «неправильную» для электронов, но совершенно законную для позитронов. А нам только это и надо. Наша отраженная в «CP-зеркале» картина стала вполне «жизненной». Она как две капли воды похожа на реально существующий процесс — позитронный радиоактивный распад атомных ядер.

«Изобретенное» выдающимся советским физиком-теоретиком, лауреатом Нобелевской премии Л. Ландау сдвоенное «CP-зеркало» изменяет координаты отраженных в нем процессов на противоположные и одновременно частицы превращает в античастицы. После тщательной экспериментальной проверки выяснилось, что оно безотказно действует во всех процессах, в том числе и в процессах, вызванных слабым взаимодействием.

Что же получилось? Раньше оба принципа — и зеркальной симметрии пространства, и симметрии зарядовой — считались фундаментальными принципами природы. Теперь же, после того, как они оказались дискредитированными, ученые вынуждены были отказаться от них и провозгласить один — принцип CP-симметрии, который удовлетворял всем видам взаимодействий, в том числе и слабому.

Процессы, связанные с сильным взаимодействием и симметричные относительно зеркального отражения координат и замены частиц на античастицы, подчиняются и принципу CP-симметрии.

Но для слабых взаимодействий новый принцип означал, что в любых таких процессах не только меняется знак пространственных координат, но и происходит замена частиц на античастицы. Помните, как у Пушкина: «Идет направо — песнь заводит, налево — сказку говорит». Природа как бы требовала, чтобы в слабых взаимодействиях при переходе от правого к левому «сменялась пластинка», то есть совершался переход от одного типа материи к другому.

Правое и левое оказались сцепленными с веществом и антивеществом; различие между обоими направлениями связано с различием между частицами и античастицами — вот ответ ученых на оба труднейших вопроса, возникших из решения загадки «тета-тау». Пустое пространство, отраженное и в обычном и в «CP-зеркале», остается симметричным, однородным. Если же и происходит кажущаяся утеря им зеркальной симметрии в слабых взаимодействиях, то вина в этом лежит не на пространстве, а на самих частицах.

Основное положение диалектического материализма о единстве свойств пространства и материи нашло новое конкретное подтверждение в физике элементарных частиц.

Хотелось бы напомнить, что ученые впервые обратили внимание на связь между геометрическими — пространственными — свойствами материи и ее физическими свойствами в середине прошлого века. Проблема эта возникла в науке о кристаллах. Крупнейшие кристаллографы были смущены хорошо известным экспериментальным фактом: некоторые химически идентичные вещества имели разные оптические свойства. Почему?

«В умы тех, кто размышлял над этим вопросом, — говорит в своей книге „Кристаллы, их роль в природе и науке“ крупный современный кристаллограф Чарльз Банн, — запали мучительные сомнения, которые нередко способствуют новым открытиям».

Проблемой заинтересовался молодой Луи Пастер. «Я не способен был представить себе, — писал он, — чтобы два вещества могли быть настолько похожими, не будучи полностью идентичными. Едва закончив Высшую нормальную школу, я решил приготовить побольше кристаллов, чтобы изучить их форму». И вскоре Л. Пастер обнаружил, что химически одинаковые вещества состоят из кристаллов, по-разному ориентированных в пространстве.

Кристаллы эти оказались зеркальными изображениями друг друга. Они не совпадали между собой и обладали разной оптической активностью. «Открытие правой и левой виннокаменных кислот (это и было заслугой Л. Пастера) содействовало тому, что молекулы были выведены из области туманных рассуждений в весьма конкретный мир геометрии», — пишет Ч. Банн.

Сейчас нас больше всего интересует тот аспект этой истории, что впервые тогда в науке обнаружилась зависимость свойств материи от ее пространственной ориентации.

И вот сто лет спустя уже не в макрофизике, а в мире элементарных частиц ученые вновь столкнулись с проблемой, затрагивающей свойства материи одновременно. Но проблема эта была гораздо сложней, ибо в ней участвовали не только частицы, но и античастицы.

Если Л. Пастер заметил связь между свойствами право- и левоориентированного вещества (левые и правые кристаллы), то мир элементарных частиц предоставил уникальную возможность обнаружить связь между свойствами правоориентированного вещества и левоориентированного антивещества.

Астрофизики пытаются с помощью разного типа космических излучений обнаружить антимиры в межзвездном пространстве. Писатели-фантасты сталкивают своих героев с пришельцами из таинственного антимира.

До сих пор неизвестно, существует ли антимир, полностью аналогичный нашему миру. Но слабые взаимодействия через нарушения пространственной и зарядовой симметрии уже связали между собой элементарные кирпичики вещества и антивещества. Аналогия между принципом CP-симметрии и сдвоенным «CP-зеркалом» напрашивается сама собой. Но какое же это зеркало? Оно напоминает скорее «окно в антимир».

Если взглянуть в это зеркало вместе с нейтрино, то можно увидеть там антинейтрино: частицу без массы и без электрического заряда, которая имеет лишь собственный момент количества движения, связанный с ее вращением. Но в зеркале направление вращения нейтрино сразу меняется на противоположное и становится таким, как у антинейтрино. Как зачарованная красавица, эта частица никогда не «увидит» себя в зеркале.

Ну а электрон? Что видит он в «CP-зеркале», вылетая из радиоактивного ядра? Электрон видит свою античастицу — позитрон.

Каоновые коктейли

В августе 1964 года в городе Дубне под Москвой, где находится Объединенный институт ядерных исследований — ОИЯИ, — съехались ученые из многих лабораторий и научных институтов мира на традиционную Международную конференцию по физике высоких энергий.

Обычно ученые с нетерпением ждут очередного смотра объединенных сил теоретиков и экспериментаторов. Здесь можно обсудить свои последние результаты с коллегами из разных стран. Узнать о самых свежих, еще не напечатанных в журналах научных новостях.

Одни хотели встретиться с автором теории кварков М. Гелл-Манном, переживавшим триумф восьмеричного пути в связи с недавно открытой частицей омега-минус-гиперон. Другие мечтали услышать что-нибудь новое об экспериментах с нейтрино.

Но всех без исключения волновали слухи о предстоящем сообщении ученых Принстонского университета США. Слухи о сенсациях чаще всего бывают преувеличенными. Но на этот раз оправдались ожидания и журналистов и специалистов.

Ничто, казалось, не предвещало сенсации. Годы, прошедшие после обнаружения нарушения закона сохранения четности, все больше убеждали физиков в жизнеспособности новых представлений о свойствах пространства, материи и антиматерии.

В такой спокойной и, казалось бы, благополучной обстановке физики встретили 1964 год. И никто не ожидал, что именно в этом году посреди заботливо ухоженной «клумбы» экспериментальных результатов вдруг вырастет колким и неприглядным малиновым прутом новое осложнение — нарушение принципа CP-симметрии.

Доклад американских ученых о новом эксперименте с нейтральными ка-мезонами произвел сильнейшее впечатление. «Странные» частицы опять «замахнулись» на основы современной квантовой теории.

Директор лаборатории высоких энергий ОИЯИ, член-корреспондент АН СССР А. Балдин сказал, что опыт американских исследователей «дал максимум информации, так как изменил наши основные представления. Обнаруженный эффект настолько не укладывался в современную теорию, что он остается главным событием в физике за последние годы».

Что же открылось ученым? Прежде чем узнаем об этом, познакомимся поближе с нейтральными ка-мезонами — удивительнейшими объектами микромира, настоящими хамелеонами мира элементарных частиц.

Возьмем прибор, чувствительный только к этим частицам, и поставим его прямо на выходе их из ускорителя. Через несколько часов измерений мы узнаем, что ка-ноль-мезоны живут всего 10–10 секунды и распадаются на два пи-мезона.

А теперь отнесем прибор на двадцать метров дальше. Что должен регистрировать этот прибор? Казалось бы, ничего! За ничтожное время жизни, отмеренное ка-ноль-мезонам, даже при световой скорости они успевают пролететь всего несколько сантиметров, пролететь и неизбежно погибнуть, распавшись на два пи-мезона.

Но прибор, стоящий уже в двадцати метрах от ускорителя, все продолжает считать нейтральные мезоны, срок жизни которых в 600 раз больше, поскольку они успевают долететь до прибора. Да и распадаются эти долгоживущие мезоны не на два, а на три пи-мезона. Значит, поток частиц, рождающихся при столкновении протонов большой энергии с мишенью, состоит из нейтральных ка-мезонов двух сортов.

Но это еще далеко не все. Стоит экспериментатору забыть перед счетчиком, считающим долгоживущие ка-мезоны, какой-нибудь предмет, как происходит чудо: прибор опять начинает регистрировать короткоживущие ка-мезоны. Они, как и те, что регистрировались на выходе из ускорителя, также распадаются на два пи-мезона!

Чудо объясняется просто. Оказывается, долгоживущие мезоны, столкнувшись с веществом, превращаются в короткоживущие. Подобным свойством не обладает ни одна из известных нам частиц. Нейтроны, протоны или пи-мезоны никогда не меняют своих свойств при столкновении с веществом.

В таблице элементарных частиц каждая жительница микромира занимает максимум две строчки. Первая строка принадлежит частице, вторая — античастице. И только нейтральным ка-мезонам удалось расположиться сразу на четырех строчках!

Первую, как и положено, занимает нейтральный (ка-ноль) мезон, вторую — анти-ка-ноль-мезон. На третьем месте находится уже знакомый нам короткоживущий ка-ноль-мезон. И наконец, на четвертом — долгоживущий ка-ноль-мезон.

Экспериментаторы, как ни старались, не могли обнаружить в природе анти-ка-ноль-мезон. Ну что ж, в этом не было ничего удивительного. Нет античастицы у фотона, нет ее и у нейтрального пи-мезона. Эти частицы и по теории должны быть совершенно идентичны со своими «антиродственниками».

Но когда М. Гелл-Манн создал свою классификацию элементарных частиц, у него получилось, что ка-ноль-мезоны должны все-таки отличаться от анти-ка-ноль-мезонов. Проницательный Э. Ферми сразу же спросил у него: «Как вы можете представить себе ка-ноль и анти-ка-ноль различными, если они распадаются неразличным образом?»

«Как теперь ясно, — пишет в воспоминаниях Б. Понтекорво, — в этих словах скрыта глубокая догадка о дуальных — двойственных — свойствах нейтральных каонов». (Каонами физики называют ка-ноль-мезоны.)

Встречи частиц и античастиц между собой происходят крайне редко. Лишь незначительная доля протонов или электронов встречается со своими антидвойниками. Объясняется это тем, что материя и антиматерия всегда разделены в пространстве. Только в момент их первого (и последнего) в жизни свидания некоторые частицы и античастицы ненадолго образуют связанную систему. Так электрон и позитрон до аннигиляции в виде атома — позитрония — успевают помочь ученым в решении некоторых химических задач.

Однако анти-ка-ноль-мезонов не было нигде — ни в космических лучах, ни среди частиц, рождающихся на ускорителях. Но они должны быть! — настаивала теория. И один опыт сменялся другим, настойчивые поиски продолжались. Продолжались до тех пор, пока физики однажды не поняли, что искать-то, собственно, нечего. Все было просто и одновременно фантастически необычайно.

Слабые взаимодействия как бы «сблизили» мир и антимир. Они связали нарушение зеркальной симметрии пространства с различием между частицами и античастицами, например, в знаке электрического заряда. В нейтральных ка-мезонах мир и антимир сосуществуют бок о бок вплоть до их распада. Они не что иное, как смесь частиц и античастиц. И не одна, а целых две смеси — два строго согласованных, уравновешенных состояния с определенной массой, с постоянным временем жизни и другими квантовыми свойствами. Одну смесь ученые назвали нейтральными короткоживущими, а другую — долгоживущими ка-мезонами.

Вот эти-то «коктейли», тщательно приготовленные природой из двух одинаковых компонентов, и продемонстрировали свое несогласие с принципом CP-симметрии.

Театр одного актера

В чем же заключалась сенсационность сообщения, сделанного в Дубне на Международной конференции?

В Принстонском университете американские физики Кристенсон, Кронин, Фитч и Турлей изучали свойства рождающихся на ускорителе долгоживущих ка-мезонов. Ученые расположили свою установку на расстоянии двадцати метров от выхода мезонного канала, чтобы полностью избавиться от всех быстро распадающихся короткоживущих ка-мезонов.

Во время работы физики обратили внимание, что очень редко — один раз на 500 обычных распадов — долгоживущие каоны нарушали запрет, наложенный принципом CP-симметрии, и распадались на два пи-мезона. По законам делать это они «не имели права». Американские же физики обнаружили именно такие случаи распада. Значит, не работает также и «CP-зеркало»?

И опять всплывает неэквивалентность между правым и левым, которую уже не объяснишь различием между частицами и античастицами.

Ученые реагировали на это открытие по-разному. Скептики напирали на ошибку в измерениях или обработке результатов. Другие ссылались на то, что эксперимент проводился не в вакууме, а в воздухе, а на последнем этапе мезоны проходили еще и через баллон с гелием. Встреча же с любым веществом криминальна для нейтрального каона: сталкиваясь с веществом, каоновые «коктейли» так сильно встряхиваются, что долгоживущая смесь частиц и античастиц превращается в короткоживущую и потом уже законным путем распадается на два пи-мезона.

Обвинение было серьезным, началась тщательная проверка. Экспериментаторы из Принстона поставили специальный контрольный опыт, который показал, что подобные превращения долгоживущих ка-мезонов происходят в 106 раз реже, чем зафиксированные раньше запретные распады.

Прошло еще немного времени, и измерения, сделанные в разных группах с помощью совершенно иной экспериментальной методики, подтвердили этот факт. Последние сомневающиеся вынуждены были согласиться с достоверностью обнаруженного явления.

Странное открытие снова возвращало ученых к «разбитому корыту», к непониманию того, почему однородное пространство не обладает зеркальной симметрией в слабых взаимодействиях. Надо было действовать. И ученые, как следователи, раскрывающие преступление, стали искать среди «граждан» микромира других лиц, ведущих себя так же, как нейтральные ка-мезоны.

Скрупулезной проверке подверглись распады гиперонов и мезонов, распады ядер и ядерные реакции. Но нигде, ни в одном явлении нарушения принципа CP-симметрии обнаружить не удалось. Нейтральные ка-мезоны действовали в одиночку.

В этом отношении ситуация резко отличалась от той, которая была при открытии нарушения зеркальной симметрии. Тогда опыты с положительно заряженными ка-мезонами послужили сигналом к поднятию занавеса, за которым обнаружилась большая группа участников «заговора» против закона сохранения четности. Это были процессы, идущие при слабом взаимодействии элементарных частиц.

Но теперь за занавесом оказался всего один-единственный актер — долгоживущий нейтральный ка-мезон, который не подчинялся режиссерским указаниям CP-симметрии. А слабые взаимодействия если и были повинны, то лишь в «приготовлении» самих ка-мезонных «коктейлей» из смеси частиц и античастиц.

Как же относиться к этой индивидуальности единственного гражданина микромира? Может быть, юмористически? Может быть, прав академик И. Тамм, который полагал, что история долгоживущего ка-мезона напоминает известную историю, связанную с нейтрино и законом сохранения энергии? И что в конечном счете CP-симметрия окажется незыблемой?

Но физикам не до смеха, и не из-за отсутствия чувства юмора. Время идет, а «номер» иллюзиониста — ка-мезона все еще не разоблачен. А намекает он на очень многое. Помните, как не смешно было чеховской Наденьке, которая никак не могла понять: то ли ветер свистит в ее ушах, то ли сосед в санках шепчет ей о любви. А что нашептывает ка-ноль-мезон?

Спасая фундаментальный принцип симметрии пространства, физики для начала обвинили во всем внешние дальнодействующие силы, источниками которых могли быть Земля, Солнце или Галактика. Но эксперименты противоречили этой гипотезе, и от нее пришлось отказаться.

Есть и другая мысль, которая сейчас проверяется. А что, если необычный распад нейтрального каона вызывается гипотетическим сверхслабым взаимодействием?

Так или иначе, но вопрос: почему долгоживущие ка-мезоны распадаются на два пи-мезона — остается кардинальнейшим вопросом современной физики.

«Сущность этого явления непонятна, — говорит член-корреспондент АН СССР Ф. Шапиро. — Но это такое радикальное изменение наших взглядов, что когда-нибудь, я думаю, отсюда проистекут далеко идущие последствия для всего здания физики».

Утерянный рай

«Странные» положительно заряженные ка-мезоны первыми сыграли сигнал опасности для фундаментального принципа симметрии пространства. Эту опасность удалось ослабить, приняв «ультиматум» слабых взаимодействий — заменять частицы античастицами при зеркальном отражении.

Нарушение то пространственной, то зарядной симметрии в слабых взаимодействиях болезненно воспринималось физиками. Но одновременное нарушение и C- и P-симметрии затрагивало уже самые основы современной физики.

Любое уравнение квантовой механики симметрично не только относительно изменения знака у всех координат (P-симметрия) или к замене частиц на античастицы (C-симметрия), но и к изменению направления времени. То есть к «обращению во времени».

Эта временнáя, или, как ее обозначают, T-симметрия утверждает «вечную молодость» процессов микромира. T-симметрия означает отсутствие «стрелы времени», как поэтически говорят о направленности времени в макромире. К миру элементарных частиц неприменимо понятие «старение». Есть только равноправные друг другу прямое и обратное направления процесса.

Нам пришлось вспомнить об этом потому, что в основе современной квантовой теории элементарных частиц лежит теорема CPT. Смысл ее в том, что все процессы должны одновременно подчиняться принципу пространственной — P-, зарядовой — C- и временной — T-симметрии. Другими словами, любое явление в микромире, если его отразить в зеркале, частицы в нем заменить на античастицы, а конечное состояние заменить начальным, то есть изменить направление времени, должно превратиться в явление, тоже реально существующее в природе.

До экспериментов с ка-мезонами никто не сомневался, что все три типа симметрии как вместе, так и по отдельности — это строгие законы природы. Но первые два уже утеряли свою универсальность. Чем это грозит?

Если нарушается CP-симметрия, а T-симметрия остается, то рушится вся теорема CPT. Она, эта общая CPT-симметрия, может остаться в силе лишь в том случае, если нарушаются одновременно CP- и T-симметрии.

Так, лишившись двух фундаментальных законов, физики «добровольно» отказываются от третьего. Более того, они стараются доказать его нарушение, чтобы спасти основы теории. Имеет ли время власть над микромиром?

Выяснить это намного сложнее, чем в макромире. Временнáя T-симметрия накладывает запрет на некоторые физические явления. Например, у элементарных частиц не должно быть электрического дипольного момента. Можно представить, что нейтрон состоит из положительного и отрицательного зарядов, центры тяжести которых раздвинуты. Отсюда возникает электрический дипольный момент. Если ядерные процессы обратимы, то этот момент у нейтрона должен быть равным нулю.

В лаборатории нейтронной физики дубненские ученые давно уже ищут возможность для проникновения в тайну электрического дипольного момента частиц. Во всех прежних экспериментах он не был обнаружен. Но сказать, что момент этот равен нулю, пока никак нельзя — точность опыта еще недостаточно высока. Нейтроны так быстро проскакивают рабочий объем установки, что очень малое их количество распадается за это время. Даже медленные, или тепловые, нейтроны и те движутся со скоростью два километра в секунду. Нейтронный «шквал» за ничтожные доли секунды пересекает весь прибор, а для измерения дипольного момента очень важно, чтобы нейтрон как можно дольше находился в поле зрения наблюдателей, «в руках экспериментаторов». Ведь за это время надо изучить его поведение под действием электрических и магнитных полей.

Возникла, таким образом, необходимость в нейтронах гораздо более медленных, чем тепловые. Именно такие ультрахолодные нейтроны, со скоростью несколько метров в секунду, встречаются среди частиц, вылетающих из ядерного реактора. Но их очень мало: на сто миллиардов всех нейтронов приходится только один ультрахолодный.

Вот если бы собрать да законсервировать эти нейтроны, тогда и эксперимент по измерению дипольного момента можно было бы провести с высокой точностью.

И эта, казалось бы, фантастическая идея оказалась практически выполнимой. Около двадцати лет назад итальянский ученый Э. Ферми и советский физик-теоретик И. Померанчук показали, что ультрахолодные нейтроны должны полностью отражаться от поверхности некоторых веществ.

Десять лет спустя академик Я. Зельдович теоретически доказал, что, используя свойство отражения, можно «выловить» ультрахолодные нейтроны из реактора и накопить их в специальной ловушке в количестве до ста миллионов в одном кубическом метре!

В это трудно было поверить. Ведь нейтроны довольно проникающие частицы, а тут предсказывалось, что они не смогут покинуть ловушку, сделанную из тончайшей медной фольги.

Необыкновенное поведение ультрахолодных нейтронов объяснялось их волновыми свойствами. Длина волны этих частиц равна одной стотысячной доле сантиметра. Но в микромире даже она кажется Гулливером среди атомов-лилипутов. Поэтому, падая на поверхность вещества, волна взаимодействует одновременно с большим числом ядер атомов меди. И хотя энергия такого взаимодействия очень мала, она все-таки того же порядка, что и энергия самих ультрахолодных нейтронов. Вот почему уже первые слои атомных ядер фольги создают на пути волны ультрахолодных нейтронов непреодолимый энергетический барьер. Ударяясь о него, как морская волна о крутой берег, она откатывается назад.

Группа ученых лаборатории нейтронной физики ОИЯИ под руководством Ф. Шапиро уже приступила к созданию «консервов» из нейтронов. Их задача формулировалась очень просто: найти и отобрать иголки — ультрахолодные нейтроны — в стоге сена, то есть среди сотен миллиардов всех остальных нейтронов.

В поток нейтронов, выходящих из атомного реактора, экспериментаторы поместили медную трубу, изогнутую на удаленном от реактора конце. Тепловые нейтроны, летящие с огромной скоростью, «прошивали» стенки трубы в месте ее изгиба и мчались дальше. Ультрахолодные же, попав в трубу, уже не могли из нее выбраться и превращались в ее пленников. Как слепые котята, тыкались они в стенки и, отражаясь от них, ползли вдоль трубы, следуя ее изгибам.

Экспериментаторы узнали об этом, поместив на изогнутом конце трубы счетчик. Он и зарегистрировал нейтроны, находившиеся в трубе около 200 секунд!

Когда ученые научатся создавать «консервы» из достаточного количества нейтронов, они смогут с большой точностью измерить дипольный момент нейтрона.

В десятках лабораторий мира ставятся опыты по проверке нарушения временнóй симметрии. Но окончательного ответа пока еще нет.

Давайте же пофантазируем и предположим, что нарушение принципа T- симметрии обнаружено. Теория CPT будет тогда спасена, но какой ценой! Ведь опять всплывает непонятная неэквивалентность правого и левого, неэквивалентность прямого и обратного направлений времени, неэквивалентность частиц и античастиц. Придется признать, что микромир «грешен» теми же асимметриями, с которыми мы давно уже свыклись в нашем макромире.

В мире, доступном нашим органам чувств, мы постоянно сталкиваемся с предметами, которые не обладают зеркальной симметрией. Не надо далеко ходить за доказательствами: наше собственное зеркальное отражение только похоже на нас.

Из чего состоим мы с вами и все, что нас окружает? Из протонов, нейтронов и электронов. И вокруг нет ничего и никого, кто бы состоял из антипротонов, антинейтронов и позитронов. Налицо зарядовая асимметрия макромира.

О времени же и толковать нечего. Безжалостная его стрела направлена всегда только вперед.

В чем же, наконец, смысл этой обнаруженной с помощью физики высоких энергий похожести, этой совпадающей асимметрии нашего обычного мира и мира сверхмалых масштабов? Какова связь между нарушением C-, P- и T-симметрии в макро- и в микромире? Отвечают ли CPT-симметрии микромира CPT-симметриям макромира?

Оба эти вопроса, — говорят ученые, уводят задающего их в глубины космологии. Ведь и зарядовая и временная асимметрии окружающего нас мира являются следствиями особых «начальных» условий, существовавших во вселенной примерно 1010 лет назад.

* * *

Нарушение пространственной и зеркальной симметрий в слабых взаимодействиях, непригодность «CP-зеркала» для небольшого числа распадов нейтральных ка-мезонов… Так ли уж важны эти мизерные отклонения на беспредельном фоне сильных взаимодействий, обладающих и C-, и P-, и CP-симметрией? На фоне тех самых сил, что удерживают нуклоны в ядрах и которым подчиняется подавляющее большинство мельчайших кирпичиков материи? И почему, наконец, физики с таким усердием исследуют эти небольшие нарушения симметрии в микромире?

«Да потому, — говорит доктор физико-математических наук Д. Франк-Каменецкий, — что в науке нет мелочей. Она обязана объяснить все до конца, а каждое еще не понятое явление может таить целый океан неведомого. Ничтожное черное пятнышко на фотопластинке, лежавшей рядом с препаратом урана, оказалось предтечей всей ядерной физики и техники».

У физиков уже сложилось впечатление, что мир в общих чертах прост, но в частностях очень сложен. Самый страшный симптом сложности — это нарушение симметрии. Ведь все простое симметрично.

О том, как окончательно отразятся на современном миропонимании рассказанные здесь истории, пока неизвестно. Это замечание справедливо и по отношению к третьей загадке, которая еще и не стала историей.

Новая, только что обнаруженная физиками «загадка K°2→2μ», опять-таки, как нетрудно заметить, задана уже знакомыми нам ка-мезонами.

Группа американских ученых из Калифорнийского университета изучала на бэватроне Лоуренсовской радиационной лаборатории распад долгоживущих нейтральных тяжелых мезонов. По теории, основанной на самых простых и, казалось бы, надежных предпосылках, как минимум один из 150 миллионов зарегистрированных в установке тяжелых мезонов должен превращаться в пару легких частиц — мю-мезонов с положительным и отрицательным знаками электрического заряда. А экспериментаторы обнаружили, что вероятность такого процесса, по крайней мере, в три раза меньше. Что это означает?

Именно такой вопрос с редким единодушием задали многие физики, узнав из журнала «Physial Review Letters» о сенсационных результатах опытов на бэватроне.

Но ответа на него пока нет. Возможно, «парадокс K°2→2μ» и вовсе не парадокс, а только новый эффект проявления нарушения CP-симметрии. Доказательством этого послужило бы обнаружение распада короткоживущих нейтральных ка-мезонов на две легкие заряженные частицы.

«Но если в опыте таких распадов не обнаружат, — считает член-корреспондент. АН СССР А. Балдин, — то катастрофа усугубится. Сейчас это самая острая проблема в физике элементарных частиц».

На ускорителе в ЦЕРНе уже поставлен эксперимент, в котором на 4 · 107 распадов короткоживущих ка-мезонов не обнаружено ни одного случая распада на два мю-мезона.

Дополнительные теоретические соображения еще как-то могут оправдать отсутствие такого процесса с вероятностью порядка 10–7. Но если этот распад происходит еще реже, то это приведет, по-видимому, к новым «жертвам» среди фундаментальных принципов природы.

В решении «загадки K°2→2μ» приняли участие лучшие экспериментаторы. К исследованию распадов долгоживущих и короткоживущих тяжелых мезонов ученые приступили на ускорителе в Брукхэвене, в Беркли и в Аргонской национальных лабораториях США.

Группа ученых под руководством кандидата физико-математических наук И. Савина из лаборатории высоких энергий ОИЯИ тоже готовится теперь к атаке новой открывшейся перед физиками «высоты».