В начале десятых годов прошлого века в научной литературе были описаны два крайне интересных эксперимента. Первый из них провёл физик Доменико Пачини в 1911 году. Он погружал под воду измерительные приборы и выяснял уровень радиации на разных глубинах. Авторство второго принадлежит ещё одному физику, Виктору Гессу. В 1912 году он поднялся на воздушном шаре на высоту пять километров и измерил уровень радиации уже в атмосфере. Эти эксперименты могут показаться самым обычным сбором информации, но они помогли найти то, что очень скоро изменило представление человечества о Вселенной.
За десять лет до этого ученые зафиксировали небольшое количество радиации в воздухе. Первоначально они предположили, что она излучается камнями и скалами, но Пачини и Гесс показали ошибочность этого вывода. Её было больше на высоте, и меньше у поверхности — что, по всей видимости, говорило о том, что источник находится не на Земле. Как минимум некоторая часть радиации должна была поступать из необъятных просторов Вселенной. Этот вид излучения впоследствии стал известен как космические лучи. Сегодня они исследуются с целью изучения испускающих их объектов, однако в начале 20 века они помогли открыть неизвестные ранее субатомные частицы — задолго до всех сегодняшних ускорителей и коллайдеров. Таким образом, довольно простые эксперименты под водой и на воздушном шаре фактически привели к появлению целой отрасли в науке — физики элементарных частиц.
Потребовались десятилетия, чтобы точно установить, что представляют собой космические лучи. Но сегодня известно, что это заряженные частицы, которые на скорости, близкой к световой, постоянно обстреливают Землю. Это в основном отдельные протоны, но время от времени среди них встречаются и электроны, и более крупные атомные ядра. Некоторая их часть выбрасывается Солнцем, но в большинстве своём они порождены в результате очень бурных космических событий — взрывов сверхновых или, например, поглощения звезд черными дырами.
Космические лучи благодаря своей огромной скорости несут много энергии. Когда они сталкиваются с чем-то, в субатомные частицы может превратиться сама энергия. Эта трансформация логично вытекает из знаменитой формулы «E = mc 2«, поэтому не является чем-то сенсационным. Но в начале 20 века это понимание многих поразило, так как некоторые из обнаруженных частиц были чем-то ранее невиданным. Учёные того времени смогли изучить их в так называемых «туманных камерах» (камера Вильсона), где пары воды или спирта конденсировались в облачка вокруг всего, что проходило сквозь устройство. Исследователи проследили за движением частиц, а затем использовали полученные данные, чтобы определить их свойства.
Так, например, когда туманная камера находилась в магнитном поле, электрически заряженные частицы двигались по искривлённой траектории, а рисунок и длина проделанного ими пути показывали такие параметры, как скорость, масса и продолжительность жизни. Звучит, конечно, немного неправдоподобно, но на самом деле это довольно простой метод исследования, который принёс огромную пользу науке. Например, в 1932 году американский физик Карл Андерсон с помощью этого метода изучал воздействие космических лучей на свинцовую пластину. Он выяснил, что частицы, порождаемые столкновениями, обладают теми же свойствами, что электроны, но имеют противоположный электрический заряд. Положительный, а не отрицательный. Это позволило открыть позитроны и первый из когда-либо наблюдавшихся видов антиматерии. Если учесть, что все частицы имеют аналоги в виде античастиц, то посредством всего одного открытия Андерсон удвоил число известных науке субатомных объектов. Также благодаря научной работе этого человека появилась позитронно-эмиссионная томография.
Однако это было не последнее его открытие в области изучения космических лучей. Несколько лет спустя Андерсон, а также другие ученые нашли ещё одну крайне интересную частицу — мюон. Это более тяжелый аналог электрона, и за восемьдесят лет, что прошли с того момента, его многократно использовали для проверки положений специальной теории относительности Эйнштейна, которая касается очень быстро движущихся объектов. Идеи этого великого учёного до сих пор во многом определяют наши представления о Вселенной, поэтому именно они в первую очередь проверяются на прочность. И мюоны помогают делать это. Но в середине прошлого века потрясением для исследователей стал уже сам факт их существования. Физики предсказали позитроны за несколько лет до того, как они были открыты. Но никто не думал, что в природе могут наличествовать тяжелые электроны. Это была полная неожиданность. И чем дольше продолжалось изучение космических лучей, тем больше обнаруживалось сюрпризов. В частности, благодаря им ученые пошли по пути, приведшему к открытию кварков — крошечных кирпичиков, из которых состоят протоны и нейтроны.
В конечном итоге космические лучи позволили сделать удивительное количество феноменальных открытий. Никто и предположить не мог, что они окажутся воротами в субатомный мир. Благодаря им стала самостоятельной отраслью науки физика элементарных частиц. Это излучение позволило увидеть огромный, необъятный мир, который до того была скрыт от нас.
