Книги
Жизнь и идеи Бруно Понтекорво
– В какой форме высвобождается энергия при захвате мюона ядром?»
Я хорошо помню огромное впечатление, которое на меня произвело это перечисление, когда Бруно рассказывал о нем в одном из своих выступлений на сессии Ученого совета ОИЯИ. Меня поразила глубина и многогранность анализа. Бруно рассматривал не один, хоть и выдающийся, экспериментальный факт, а все стороны и все вопросы, которые возникают при изучении этого явления. Глубина и системность анализа – ключевые отличия научного таланта Бруно – очень хорошо проявляются в этом перечислении.
Обдумывая причины аномального взаимодействия мюона с веществом, Бруно пришел к фундаментальной идее: а что если взаимодействие мюона с веществом – это такое же слабое взаимодействие, как и бета-распад нейтрона?
Эту идею Бруно изложил в 1947 г. в классической статье в Physical Review, которая занимает меньше странички текста [58].
Суть статьи в одном предложении:
«We notice that the probability (about 106 s-1) of capture of a bound negative meson is of the order of the probability of ordinary K-capture processes…».
В нем Бруно обращает внимание на то, что скорость захвата отрицательного мюона ядрами, после поправок на фазовый объем, сравнима со скоростью захвата электрона с нижней К-орбиты атома.
В современных обозначениях речь идет о том, что измеренная вероятность захвата мюона ядром
оказалась близка к вероятности процесса захвата электрона
Все, в статье нет ни единой формулы, нет никаких четких цифр. Обсуждение идет по порядку величины. Есть только чистая идея – одно предложение, приведенное выше, а весь остальной текст посвящен тому, что если это предположение верно, то как можно его проверить экспериментально. Здесь как раз и приводится тот список вопросов, о которых Бруно потом неоднократно рассказывал, в том числе и на сессии Ученого совета ОИЯИ.
Однако основная ценность статьи не в составлении списка вопросов, которые затем вылились в целую программу экспериментов. В ней впервые была высказана мысль о том, что слабое взаимодействие может быть одинаковым как для электрона, так и для мюона. То есть бета-распад, распад мюона и захват мюона в ядрах – проявление одного и того же взаимодействия.
Позднее эту идею красиво представил Джампьетро Пуппи, который в 1948 г. предположил, что все процессы слабого взаимодействия имеют одинаковую силу и визуализовал это утверждение в виде треугольника (Рис. 16-1), у которого длина стороны соответствует величине константы связи соответствующего процесса.
Это сейчас, когда универсальность слабого взаимодействия надежно установлена, Бруно и другим ученым, позднее высказавшим аналогичную идею, воздается должное. Но в конце 40-х многое было непонятно, и вопрос об универсальности слабого взаимодействия долгое время был совершенно открыт. Для гравитационного взаимодействия ситуация четкая: его универсальность проявляется в одинаковости силы гравитации или точнее – константы гравитационного взаимодействия между любыми частицами. В случае же слабого взаимодействия эксперименты показали, что константы взаимодействия электрона с нуклоном или мюона с нуклоном похожи, но не совсем одинаковы. Треугольник Пуппи не совсем равносторонний. Потребовалась довольно нетривиальная модификация теории и многочисленные эксперименты, чтобы прийти к заключению, что все лептоны действительно взаимодействуют с одинаковой силой.
Рис. 16-1. Треугольник Пуппи.
Сейчас это одно из основных положений современной Стандартной модели физики элементарных частиц, но в 1947 никакой пророк не мог этого предвидеть. Но почувствовать!
Мы уже говорили, что сам Бруно считал, что как физика его выделяет наличие «немного фантазии». Пример с универсальностью слабого взаимодействия очень хорошо показывает другое качество таланта Бруно – умение предугадывать важность проблемы еще до того, как многие в ней разобрались. Г. В. Мицельмахер назвал это качество Бруно «прекрасный вкус в физике» [59]. Обычно мы говорим, что у человека прекрасный вкус, когда он славится умением выбирать правильную книгу, спектакль или вино. Так и Бруно всегда выбирал «вкусную», оригинальную физическую проблему – изомерия, нейтронный каротаж, метод детектирования нейтрино, универсальность слабого взаимодействия и, конечно, осцилляции нейтрино.
Судьба этой статьи Понтекорво – интересный феномен для историков науки. Несмотря на то, что она была опубликована в одном из самых главных физических журналов, несмотря на фундаментальность ее основной идеи, реакция на статью была нулевая. Даже Ферми не обратил никакого внимания на эту истинно пророческую работу Бруно и никогда о ней не говорил.
Нобелевский лауреат Джек Стейнбергер в это время работал в Чикаго в группе Ферми. Тогда он выполнил один из первых экспериментов, подтвердивших идею универсальности Бруно, которую он называет «enormously imaginative suggestion»[10]. Стейнбергер пишет [60], что в то время никто не мог и близко вообразить, что есть нечто общее между мюоном и электроном. Гениальная догадка Бруно была сделана слишком рано, чтобы в нее могли поверить. Особенно удивляет Стейнбергера, что даже Ферми, создатель первой теории бета-распада, которого идея универсальности слабого взаимодействия должна была интересовать больше всего, тем не менее никогда не обсуждал ее. Поскольку поток физических статей в то время был существенно мал, а работа Бруно опубликована в очень известном журнале, нельзя предполагать, что Ферми ее не читал. Значит, не верил – делает вывод Стейнбергер.
В научной судьбе Бруно обдумывание идеи универсальности сыграло важнейшую роль. Он стал методично выполнять именно те эксперименты, о которых написал в основополагающей статье [58].
17. Распады мюона