Через 10–20 секунды разбушевавшаяся ядерная капля успокаивалась и переходила в нормальное состояние после испускания нейтронов со строго определенной энергией.
Такое освещение событий, происходящих при слабом взаимодействии мю-мезона с ядром, подкупало тем, что вычисленное на его основе значение вероятности реакции захвата мю-мезона впервые совпало с его экспериментальным значением.
Проверить новую гипотезу можно было только одним путем: обнаружить группы нейтронов, появление которых в этой реакции она предсказывала.
За поиски нейтронов, вылетающих из мишени, облучаемой мю-мезонами, взялись физики-экспериментаторы Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ под руководством кандидата физико-математических наук В. Евсеева.
Интернациональная группа советских и польских физиков подготовила для работы на синхроциклотроне специальную установку для обнаружения нейтронов в реакции захвата мезонов атомными ядрами. В прозрачном кристалле стильбена, вещества, насыщенного водородом, пролетающий нейтрон передает свою энергию ядру атома водорода — протону. На движущийся заряженный протон прибор реагирует мгновенно. В стильбене возникает световая вспышка, которая, усиливаясь в особой лампе — фотоумножителе, превращается в электрический импульс.
Но световая вспышка может возникнуть в кристалле при попадании в него и любой посторонней заряженной частицы. Поэтому электрические импульсы от вспышек в приборе подвергались строжайшему контролю в уникальных электронных схемах, созданных специально для этого эксперимента. По форме импульса схемы надежно отсортировывали протоны от фоновых частиц. Затем электронный анализатор импульсов определял энергию этих протонов. А электронно-вычислительная машина по особой программе реконструировала спектр нейтронов по измеренному энергетическому спектру протонов.
Успешными оказались первые же опыты на ускорителе. Помещая мишени из серы, кальция или кислорода в пучок мю-мезонов, дубненские физики с волнением обнаружили долгожданные группы нейтронов. Эксперимент полностью оправдал надежды теоретиков.
Выступая на Международной конференции по физике высоких энергий и структуре ядра в Дубне, профессор В. Балашов сказал: «Теоретикам всегда свойственно фантазировать. Но я не думал, что эксперименты по захвату мю-мезонов ядрами будут поставлены со столь высокой точностью, что их можно будет сравнить с теорией».
Открытие, сделанное физиками Дубны, и экспериментальные результаты, полученные в других лабораториях, подтверждали очень важную для ядерной физики закономерность. И в электромагнитных, и в слабых, и даже, с небольшой вероятностью, в сильных взаимодействиях образуются атомные ядра, которые всю дополнительную энергию расходуют только на согласованные движения своих частиц.
Коллективные колебания нуклонов при высокой энергии возбуждения — это универсальное свойство ядерного вещества, связанное с особой природой ядерных сил.
— Сначала физики радовались тому, что научились добывать из ядер энергию, а теперь — непонятно почему — радуются, когда ядра ее поглощают.
— Изучение возбужденных ядер имеет большое фундаментальное значение для науки, так как обогащает представления ученых о ядерных силах. Но изомерные ядра, обладающие способностью довольно долго удерживать полученный избыток энергии, могут быть использованы в практических целях.
— Я что-то ничего не слышал об «аккумуляторе» на возбужденных изомерных ядрах.
— И не могли ничего слышать. В качестве длительно работающего аккумулятора ядерной энергии оказалось выгодней использовать радиоактивные изотопы. А изомеры чрезвычайно пригодились после того, как удалось наладить связь на гамма-квантах между одинаковыми ядрами.
До сих пор мы говорили и продолжаем говорить о проблемах, относящихся непосредственно к атомным ядрам, но сейчас крайне необходимо вспомнить о давно открытом в мире атомов избирательном, или, как называют его физики, резонансном, поглощении фотонов с определенной энергией. Свет, испущенный возбужденным атомом, с максимальной вероятностью захватывается другим атомом того же химического элемента. Это естественное поведение любых квантовых объектов.
Заручившись поддержкой закона сохранения энергии и представлениями о возбужденных состояниях атомных ядер, физики еще 45 лет назад попытались обнаружить резонансную связь на фотонах с большими энергиями (их называют еще гамма-квантами) между ядрами.
Но испущенные ядром, возвращающимся в нормальное состояние, уже апробированные, так сказать, гамма-кванты неожиданно оказались совершенно непригодными для возбуждения других ядер того же сорта.
Конечно, в то время экспериментальная техника была очень примитивна, но проста и сама идея эксперимента. Установка выглядела так: в источнике находились изомерные ядра, а в мишени — точно такие же ядра, но в основном состоянии. За мишенью располагали счетчик гамма-квантов. По скорости отсчетов в детекторе можно было понять, поглощают ядра мишени резонансные гамма-кванты или нет. Ни в первой, ни во второй, ни в десятой попытке обнаружить это явление не удалось. Гамма-кванты беспрепятственно проходили через мишень и попадали в счетчик.
Пятнадцать лет бились ученые над решением проблемы этой феноменальной, упорной неконтактабельности одинаковых атомных ядер. Бились до тех пор, пока не была вскрыта — именно вскрыта, а не устранена — причина этого непонятного поведения ядер.
И возбужденное ядро, и возбужденный атом — это, в сущности, одноволновые передатчики. Квант света фиксированной частоты, излучаемый атомом химического элемента, может быть принят только единственным квантовым приемником — атомом того же элемента. Ядерный гамма-квант, которому тоже соответствует длина волны определенной частоты, может возбудить такое же стабильное ядро-приемник.
У атомных и ядерных приемников и передатчиков нет ручек для изменения настройки. Для атомов она и не требовалась: фотонная связь между ними работала отлично. Ядерный же приемник ядерные гамма-кванты не принимал и молчал.
В обычной радиоаппаратуре настройка может испортиться из-за какой-нибудь перегоревшей детали. Но что может перегореть в ядре?
Законы квантовой механики, в частности принцип неопределенности В. Гейзенберга, устанавливают интервал энергий, в пределах которого должен наблюдаться резонанс и в атоме, и в ядре. Этот интервал, называемый шириной резонансной линии, обратно пропорционален времени жизни ядра в возбужденном состоянии. Например, для ядер железа-57, которые удерживают избыток энергии примерно 10–7 секунды, ширина линии равна 10–8 электрон-вольта.
У изомерных ядер время жизни и интервал энергии излучаемых фотонов, в котором мог наступить резонанс, были почти такими же, что и у атомов. А установить гамма-связь между ядрами так и не удавалось.
Наконец в 1945 году молодые советские ученые И. Барит и М. Подгорецкий впервые открыли всем глаза на обстоятельство, которое до тех пор упускалось из виду. Закон сохранения энергии мог гарантировать успех ядерной связи на гамма-квантах, но он мог также и жестоко карать физиков за оплошность, допущенную по отношению к нему. А оплошность была достаточно серьезной. В своих подсчетах ученые почему-то не учитывали ту небольшую энергию, которую получало ядро в момент отдачи при вылете из него гамма-кванта.
Эта сложнейшая система из элементарных частиц, связанных воедино уникальными ядерными силами, стреляя гамма-квантом, претендовала на свою долю энергии отдачи, как обычный макрообъект.
Энергия взрыва пороха делится между пулей и винтовкой в точном соответствии с их массами: большую часть получает легкая пуля, но кое-что достается и винтовке. Излишек ядерной энергии точно таким же образом распределяется между ядром и гамма-квантом: почти вся энергия достается фотону, а ядру перепадает ничтожнейшая ее доля.
Про отдачу ядра не то чтобы забыли, просто не придавали ей никакого значения. Всех успокаивал качественный вывод о том, что энергия гамма-кванта сохраняется практически нетронутой. Энергия отдачи никогда не фигурировала и в атомном резонансе, там ее величина, приблизительно равная 10–10 электрон-вольта, была намного меньше ширины резонансной линии и не могла расстроить фотонную связь.