Жизнь и идеи Бруно Понтекорво - Михаил Сапожников

Именно так выглядела установка, которую Бруно и его коллеги собрали для регистрации рождения π0-мезонов. Однако и на этих маленьких установках можно было делать хорошую физику. С интересом сейчас читаешь про пучок нейтронов с энергией 400 МэВ, который бил в латунный контейнер диаметром 8 см и высотой 8 см. Один контейнер наполнялся водой, другой – тяжелой водой D2O, а третий – использовался для измерения фона. Как и сейчас во всех экспериментах на адронном коллайдере, π0-мезоны регистрировались по распаду на два γ-кванта. Перед детекторами стояли свинцовые пластины, в которых гамма-кванты конвертировались в пару электрон-позитрон. Для их регистрации Бруно предложил использовать черенковский счетчик, его сделал В. А. Жуков, и это был первый черенковский счетчик в Дубне. В своих воспоминаниях Жуков пишет, что Бруно говорил ему, что и в Харуэлле его студент Джелли сделал первый в лаборатории черенковский счетчик. Так что сбылись апокалиптические предсказания американских конгрессменов о том, что «каждый кусочек информации, известный д-ру Понтекорво, станет известным для Советов». Да, методику черенковских счетчиков привнес в Дубну именно Бруно Понтекорво.

Со временем экспериментальный зал синхроциклотрона был отделен от ускорителя железной стеной толщиной 3 метра, и фоновые условия для экспериментов существенно улучшились. Бруно продолжил изучение сечений взаимодействия π-мезонов со своими новыми сотрудниками – А. Е. Игнатенко, А. И. Мухиным, Е. Б. Озеровым. Они измерили полные сечения взаимодействия π--мезонов с протонами [93]. Как и Ферми, нашли пик в сечении при энергии 180 МэВ, но Ферми измерял сечение в системе π+ p – там этот пик выражен намного сильнее.

Материалы всех отчетов Бруно до 1955 г. впоследствии были опубликованы в научных журналах ЖЭТФ и ДАН. За работы на синхроциклотроне в 1954 г. Бруно получил Сталинскую премию – 6 тыс. рублей, и немедленно купил себе машину – автомобиль «Победа».

Процессы образования тяжелых мезонов и V-частиц

Если бы Фрэнк Клоуз пролистал первую секретную тетрадь Бруно чуть дальше, то на восьмой странице он обнаружил бы запись, показывающую, какое настоящее открытие передал Советам Бруно в ноябре 1950 г. Эта запись содержит объяснение загадки V-частиц (https://t.me/bruno_pontecorvo_photo/18).

В конце 40-х годов физики на своих фотопластинках и в камерах Вильсона увидели странные треки, которые образовывали V-образные фигуры. Суммарный импульс частиц в каждой «вилке» был направлен в первичную вершину. На Рис. 28-2 показано, как это выглядело при взаимодействии π--мезона с протоном в пузырьковой камере. Трек π--мезона виден в правом нижнем углу снимка. Все говорило о том, что в первичной вершине рождались нейтральные частицы, пролетали несколько сантиметров и распадались на две заряженных. Что же было в этом удивительного?

Парадокс состоял в том, что событий с образованием V-частиц было достаточно много, то есть сечение их рождения было большим, как у реакций сильного взаимодействия. Но частицы, рождающиеся по сильному взаимодействию, имеют исключительно малое время жизни, порядка 10-23 сек., и должны распадаться практически в самой первичной вершине. Чтобы пролететь несколько сантиметров, частица должна жить долго, порядка 10-8 сек.

Рис. 28-2. Взаимодействие π—p с образованием двух V-частиц. π—-мезон влетает в камеру в нижнем правом углу снимка.

Объяснение этому парадоксу было дано Бруно в нескольких предложениях, подчеркнутых в середине восьмой страницы секретного логбука за 1950 г. (https://t.me/bruno_pontecorvo_photo/19):

«So there is a contradiction between the existence of a strong interacting particle and his long lifetime. This contradiction, of course, is resolved if the strongly interacting particle is produced in pair[29]».

Бруно в ноябре 1950 г. первым понял, что V-частицы не могут рождаться поодиночке. Всегда должна образовываться пара V-частиц. Сейчас мы знаем, почему так происходит. Дело в том, что состав V-частиц отличается от состава обычных протонов и нейтронов. В состав V-частиц входят странный кварк со странностью S = +1 или странный антикварк со странностью S = –1. Поскольку странность S в сильном взаимодействии сохраняется, то рождение странного кварка обязательно должно сопровождаться образованием странного антикварка. Это явление называется ассоциативным рождением странных частиц, они всегда возникают парами.

А почему же странные частицы так долго живут и успевают пролететь несколько сантиметров от первичной вершины? Дело в том, что они рождаются по сильному взаимодействию, но распадаются – по слабому взаимодействию, в котором странность не сохраняется. Процесс, который показан на Рис. 28-2 на самом деле выглядит так (см. Рис. 28-3): сначала по сильному взаимодействию рождается Λ-гиперон со странностью S = –1 и К0-мезон со странностью S = +1. Затем обе частицы распадаются по слабому взаимодействию

Λ → π— + p, K0 → π+ + π—

в котором странность не сохраняется, и в конечном состоянии мы получаем обычные нестранные частицы.

В учебниках физики считается, что понятие ассоциативного рождения странных частиц было впервые предложено А. Пайсом в 1952 г. Как мы видим, Бруно пришел к этому заключению еще в ноябре 1950-го. Догадка Бруно о парном рождении V-частиц вызывает просто восхищение. Это еще один пример его фантастической интуиции, умения предлагать нетривиальные решения задолго до того, как они станут общепризнанными.

Рис. 28-3. Расшифровка снимка пузырьковой камеры события реакции π– + p → Λ + K0. π-мезон влетает в камеру в нижнем правом углу снимка.

Для проверки своей гипотезы об ассоциативном рождении странных частиц Бруно предложил поискать процесс, в котором образуется только один Λ-гиперон. Если его заключения верны, то такой реакции быть не должно. Что такое странность – он тогда не знал, но идея о том, что гиперон обязательно должен рождаться с К-мезоном, ему была совершенно ясна. Опыт был выполнен в очень красивой экспериментальной постановке [94].

На синхроциклотроне ЛЯП протоны ускорялись до энергии 670 МэВ. Этого не хватало для того, чтобы родить пару частиц с разной странностью, например Λ и К0. Но можно было образовать одиночный Λ-гиперон в реакции

N + N → N + Λ (11)

Образование Λ решили искать по цепочке распадов

Λ → n + π0 , π0 → 2 γ (12)

Но каким образом? Ключевой идеей стало использование свойств Λ-гиперона пролетать несколько сантиметров от вершины, в которой он родился. Для этого детектор γ-квантов, который представлял собой набор различных счетчиков, был с помощью коллиматоров нацелен на определенную зону рядом с внутренней мишенью ускорителя, которая последовательно вдвигалась в зону видимости счетчиков. В мишень бил протонный пучок, рождались обычные π0-мезоны, там же распадались на два гамма-кванта, и когда мишень находилась в зоне видимости счетчиков, эти процессы давали много отсчетов. Когда же