Рис. 40. Пояснение к рисунку выше
Особенно поразительно в этой последовательности то, что безмассовый, но наделенный большим количеством энергии фотон, который никак не обнаруживает своего присутствия в пузырьковой камере, внезапно взрывается, образуя пару заряженных частиц (позитрон и электрон), которые тут же начинают двигаться по расходящимся дугам. На рисунке 41 запечатлен процесс, в котором образование пары противоположно заряженных частиц из электрически нейтрального фотона происходит дважды.
Рис. 41. Последовательность событий, приводящих к образованию двухэлектронно-позитронных пар: каон К— распадается на пион π— и два фотона (γ), каждый из которых создает электронно-позитронную пару, при этом позитроны (е+) отлетают вправо, электроны (е—) — влево
Чем значительнее энергия изначального столкновения, тем больше частиц может образоваться. На рисунке 42 показано столкновение между антипротоном и протоном, в результате которого возникает восемь пионов.
Рис. 42. Создание восьми пионов после столкновения между антипротоном () и протоном (присутствующим в пузырьковой камере)
А рисунок 43 показывает экстремальный случай: образование сразу 16 частиц после одного столкновения пиона и протона.
Рис. 43. Возникновение 16 частиц в процессе столкновения пиона с протоном
Все столкновения были воспроизведены искусственно в лабораторных условиях с использованием мощных ускорителей, где частицы разгонялись до высоких скоростей и им сообщалось большое количество энергии. В большинстве случаев в природных условиях на Земле невозможно создать такие энергетические потоки, которых достаточно для образования тяжелых частиц. В открытом космосе ситуация иная. В центре звезд сосредоточены крупные скопления субатомных частиц, между которыми постоянно происходят естественные столкновения, аналогичные столкновениям внутри современных ускорителей. В некоторых звездах эти процессы рождают очень мощное электромагнитное излучение, которое может принимать форму радиоволн, световых волн и рентгеновских лучей. Для астрономов это излучение — основной источник информации о Вселенной. Межзвездное, как и межгалактическое, пространство оказывается насыщенным электромагнитными излучениями разных частот, т. е. фотонными потоками с различной энергией. Но фотоны — не единственные частицы, которые постоянно бороздят просторы космоса. «Космическая радиация» состоит не только из фотонов, но и из тяжелых частиц, механизм образования которых до сих пор остается тайной. Большинство этих частиц составляют протоны; некоторые обладают очень большой энергией, намного превышающей ту, что сообщается им самыми мощными ускорителями.
Попадая в атмосферу Земли, эти обладающие большой энергией «космические лучи» сталкиваются с ядрами атомов, составляющих молекулы атмосферы, образуя множество вторичных частиц, которые либо распадаются, либо вступают в дальнейшие столкновения, рождая новые частицы, которые вновь сталкиваются и распадаются, пока последние из них не достигнут Земли. Так, один-единственный протон, попавший в атмосферу Земли, может породить каскад явлений, в ходе которых его исходная кинетическая энергия превратится в дождь разнообразных частиц и будет постепенно поглощаться по мере продвижения этих частиц к поверхности Земли. То же явление, которое мы можем наблюдать в физике высоких энергий в ходе экспериментов по сталкиванию частиц, происходит в атмосфере нашей планеты естественным путем. Причем в последнем случае его протекание характеризуется гораздо большей интенсивностью. Непрерывный поток энергии претерпевает на своем пути к Земле много изменений, частицы непрерывно возникают и исчезают в ритмичном танце творения и разрушения. На рисунке 44 представлено величественное изображение такого полного энергии танца, которое было зафиксировано случайно, когда дождь из космических лучей попал в пузырьковую камеру, которая участвовала в эксперименте, проводившемся в Европейском исследовательском центре ЦЕРН[217].
Рис. 44. Дождь из примерно 100 частиц, образовавшийся в космических лучах, случайно попадает в пузырьковую камеру. Прямые следы принадлежат частицам, которые попали в камеру из ускорителя
В мире частиц могут происходить не только такие процессы их рождения и гибели, которые обнаруживаются на фотографиях пузырьковых камер. Важное место среди явлений субатомного мира занимают процессы возникновения и аннигиляции виртуальных частиц, участвующих в обменных процессах и существующих недостаточно долго, чтобы быть обнаруженными. Возьмем, например, возникновение двух пионов в результате столкновения протона и антипротона. Пространственно-временная диаграмма данного процесса будет выглядеть так (рис. 45). (Не забывайте, что время на этих графиках имеет направление снизу вверх!)
Рис. 45. Пространственно-временная диаграмма столкновения
На этой диаграмме изображены мировые линии протона (р) и антипротона (), которые сталкиваются в некоторой точке пространства-времени, уничтожая друг друга и образуя два пиона (π+ и π—). Но это не полная картина. Взаимодействие между протоном и антипротоном можно представить в виде обмена виртуальным нейтроном, как показано на рис. 46.
