Загадочное космическое тело, так напугавшее своими сигналами ученых, — это всего-навсего гигантское атомное ядро, ядро, в котором гравитационная энергия, приходящаяся на один нуклон, такая же по величине, что и ядерная.
В этих условиях (условиях чудовищного давления) протоны превращаются в нейтроны насильственным подсоединением к ним электронов. И нейтронное вещество с небольшой примесью протонов и электронов, управляемое гравитационными и ядерными силами, начинает новую жизнь в качестве пульсара.
— Наверное, если задаться целью получить капельку нейтронного вещества, достаточно убрать из ядра протоны, и оно станет сверхпрочным, потому что в нем останутся одни нейтроны, которые не будут расталкиваться, так как не имеют электрических зарядов.
— Да, отталкивание исчезнет, а вместе с ним исчезнут и условия, необходимые для существования связанной системы нуклонов. Без протонов, оказывается, нейтроны не могут образовать не только сверхпрочного ядра, но даже обычного.
Давайте попытаемся вообразить такое атомное ядро, из которого осторожно вынуты все протоны. Как прореагируют на подобную операцию оставшиеся в ядре нейтроны? Казалось бы, они немедленно заполнят все освободившиеся места в самых глубоких оболочках, и мы получим желанное нейтронное вещество с обычной ядерной плотностью.
Но принцип Паули неустанно следит за тем, чтобы нейтроны не занимали запретные для них квантовые состояния в протонных оболочках. А полупустое ядро без протонов становится менее устойчивым.
Такое нейтронное вещество совсем непохоже на пульсарное: оно рыхлое, и расстояние между частицами в нем больше среднеядерных. Это настоящий нейтронный газ, в котором ядерные силы притяжения могут не справиться даже с кинетической энергией разлетающихся нейтронов.
В необычных условиях нейтронных звезд нейтроны на протонные места загоняет сверхмощное гравитационное давление, а земной ядерной капле необходимую вязкость, по-видимому, могут придать только сами протоны.
И все-таки вопрос о существовании нейтронного вещества остается пока открытым. Теоретики не отрицают того, что его устойчивость может повышаться с увеличением числа частиц в капле. Поэтому экспериментаторы, не обнаружив связанной системы из двух нейтронов, продолжают настойчивые поиски более тяжелых нейтронных капель.
Атлет держит рекордный вес всего несколько секунд — и судейская коллегия регистрирует спортивную победу. Пусть связанная система из нескольких нейтронов развалится через мгновение. Этого достаточно, чтобы приборы зарегистрировали нейтронное ядро и новое достижение физиков-ядерщиков.
Может нейтронная капля существовать или не может? — этот вопрос теоретики решают то положительно, то отрицательно. А. Мигдал, исходя из своей теории пи-мезонного конденсата, считает, например, что нейтронное вещество может и должно существовать, поскольку конденсат способствует укреплению связи между нуклонами. Конец колебаниям положит только эксперимент.
Нейтронное вещество можно попытаться получить и добавлением в легкое ядро все большего количества нейтронов. Советские ученые Я. Зельдович и В. Гольданский в 1960 году из теоретических соображений предсказали, что можно создать совершенно необычный, насыщенный нейтронами изотоп химического элемента гелия. Ядро атома широко распространенного в природе стабильного гелия-4 содержит два нейтрона и два протона; это известная нам альфа-частица. Ученые утверждали, что около двух протонов альфа-частицы смогут удержаться не два, а целых шесть нейтронов!
Предположение было столь заманчивым, что экспериментаторы, несмотря на его кажущуюся нереальность, решили попробовать получить возникший в воображении теоретиков феномен. Сначала проверили, может ли альфа-частица присоединить к себе еще один нейтрон. Оказалось, что такое ей не под силу. Из двух протонов и трех нейтронов связанной системы не получилось. Попробовали получить ядро гелия-6. Попытка была успешной. Среди продуктов самопроизвольного деления атомов калифорния-252 американские исследователи зарегистрировали около сотни таких ядер. Два протона некоторое время удерживали четыре нейтрона.
Рекордный вес был взят, но он еще не был максимально возможным. Лишь спустя несколько лет стали поступать первые сообщения о новой победе. При взаимодействии протонов высоких энергий с ядрами углерода, в реакции слияния быстрых альфа-частиц с ядром магния-26, при поглощении гамма-квантов высоких энергий ядром бора-11 иногда возникали фантастические ядра гелия-8, в котором протоны были втрое разбавлены нейтронами.
Наконец, группа физиков Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ под руководством доктора физико-математических наук В. Сидорова получила самые неопровержимые доказательства рождения ядерной, почти нейтронной капли, состоящей из двух протонов и шести нейтронов. Ядерная эмульсия навечно сохранила автограф этого чудо-изотопа, полученного в реакции поглощения медленного пи-мезона легким ядром углерода.
Продолжая свои исследования по взаимодействию пи-мезонов с атомными ядрами, та же группа физиков открыла новую ядерную реакцию; реакцию, проложившую путь к синтезу изотопов с избытком нейтронов, а может быть, и чисто нейтронных ядер.
В эмульсиях, облученных в пучке отрицательно заряженных пи-мезонов на синхроциклотроне, экспериментаторы искали такие случаи, когда в ядро влетал один мезон, а вылетали два, то есть звезды с тремя лучами. Но нет-нет да и попадали в поле зрения микроскопа странные звезды с одним выходящим лучом. Причем вылетающий мезон всегда имел положительный заряд. Каждый раз, видя такую звезду, исследователи невольно задавали себе один и тот же вопрос: «А где же второй, отрицательно заряженный пи-мезон, тот, который создал звезду и обычно тоже вылетал из ядра?»
Можно было и не обращать внимания на звезды с потерянным лучом. Мало ли что могло случиться с отрицательным пи-мезоном: он мог поглотиться ядром, превратиться в нейтрон, не оставляющий следа в эмульсии. Эти реакции были хорошо известны и имели достаточно большую вероятность. Но ученым не давала покоя одна назойливая мысль: «А что, если из ядра на самом-то деле вылетал тот же пи-мезон, что вызывал ядерную реакцию, но ухитрившийся переменить в ядре свой отрицательный заряд на положительный?»
Предположим, это, правда, не относилось к категории «сумасшедших идей», но тем не менее казалось маловероятным.
Придирчиво проверив свою идею на опыте, дубненские ученые открыли новую, очень интересную ядерную реакцию двойной перезарядки пи-мезонов.
Отрицательно заряженный пи-мезон во время пребывания в ядре успевает стать участником двух последовательных ядерных реакций. Сталкиваясь с одним протоном, пи-мезон отдает ему свой заряд и становится электрически нейтральным, а протон превращает в нейтрон. У другого протона пи-мезон отбирает положительный заряд, превращая его тоже в нейтрон. После толчка, полученного при соударении с мезоном, оба новоиспеченных нейтрона покидают ядро, не давая о себе знать. Как правило, и у самого мезона еще хватает энергии для того, чтобы перевалиться через край ядерной чаши (ведь заряженная частица может покинуть ядро, только преодолев электростатический барьер). Вот и возникает в эмульсии звезда с одним входящим и одним выходящим лучом (нейтроны — частицы нейтральные, не оставляют следов в эмульсии).
Но сколько изменений в ядре спровоцировал задержавшийся там на мгновение пи-мезон!
Ядро неожиданно потеряло два протона — две единицы электрического заряда, а значит, и две единицы в порядковом номере элемента. Теперь этому новому изотопу, обогащенному нейтронами, полагалось занять место на две клеточки ближе к началу периодической таблицы.
Не менее оригинально ведут себя по отношению к атомным ядрам и пи-мезоны с положительным электрическим зарядом. Проскакивая через ядро, такой положительно заряженный пи-мезон вступает в реакции с двумя нейтронами. Он превращает их в протоны, а сам покидает ядро в виде отрицательно заряженной частицы. Оставшееся ядро, не потеряв ни одного нуклона, превращается в новый изотоп химического элемента, находящегося в периодической системе Менделеева на две клеточки дальше.