Элементарные частицы: просто и понятно с точки зрения физики

С незапамятных времен люди стремились выйти за естественные рамки, поставленные природой, и проникнуть разумом в миры, лежащие за пределами непосредственного восприятия: мир малого и мир огромного. Триумфальные успехи наблюдательной и экспериментальной астрономии позволяют сейчас сказать, что мир больших величин стал в своих основных чертах понятен человеку. А как же обстоит дело на другом фронте?

Генеральный прорыв осуществлен там совсем недавно. Мыслители древности и средних веков о глубинных свойствах материи могли высказать лишь логические заключения. Основным предметом дискуссии было в то время следующее: дробя частицы вещества все мельче и мельче, доберемся ли мы когда-нибудь до предела делимости или процесс дробления можно будет продолжать бесконечно?

Ответ принес эксперимент. В конце XIX века человеку удалось заглянуть с помощью приборов в область малого, скрытую от невооруженных органов чувств. Правы оказались атомисты — сторонники существования наимельчайших неразделимых частиц. Опытное подтверждение их идей было величайшим триумфом разума.

На первый взгляд — хаос

Физики открыли к сегодняшнему дню тридцать две элементарных частицы. При этом свойства разных частиц совершенно не схожи между собой и не находятся по отношению друг к другу в каком-то простом и ясном соотношении. Кажется, среди мельчайших кирпичиков материи господствует лозунг: «кто во что горазд». Трудно даже решить, с чего начать, настолько пестра картина.

Пять частиц имеют массу покоя, равную нулю, другими словами, не могут не двигаться. (Они летят в пустоте всегда со скоростью света С, которая равна 300 000 километров в секунду). Из остальных двадцати семи самая тяжелая превосходит по массе самую легкую более чем в две с половиной тысячи раз. Скорости остальных частиц меньше скорости света; они могут быть также равными нулю — эти частицы существуют и в состоянии полного покоя.

Девять являются стабильными — они не испытывают тенденции превращаться самопроизвольно в какие-то другие частицы и живут в вакууме неограниченно долгое время. Двадцать три частицы неустойчивы, и время их жизни колеблется от 10 в минус 16 степени секунды до 1000 секунд. Двадцать пять частиц вращаются вокруг своей оси, причем четыре из них всегда крутятся в определенную сторону по отношению к своему поступательному движению. Семь частиц не вращаются.

Можно было бы перечислить еще несколько признаков, разнообразие которых создает столь широкую пестроту в мире элементарных частиц, но и сказанного достаточно, чтобы вызвать у читателя грустные мысли о том, как трудно классифицировать обитателей микромира.

Задача, пожалуй, посложней, чем та, которая стояла перед Линнеем, классифицировавшим животных. В конце концов, все животные похожи друг на друга: все дышат, едят, пьют, размножаются, у всех происходит обмен веществ, все они смертны. И если мотылек живет один день, а ворон — триста лет (последнее, кажется, недостоверно, однако срок в 300 лет может быть взят за верхнюю границу), то различие во времени жизни здесь совсем ничтожно по сравнению с различием в долговечности элементарных частиц. Век ворона больше века мотылька всего в сто тысяч раз, времена же жизни частиц, даже если брать только «смертные», то есть нестабильные частицы, отличаются в 1019 раз. Секунда и десять миллиардов лет (вся история Земли!) — вот единственный пример, который может как-то проиллюстрировать это различие.

И все-таки мы не можем отказаться от решения задачи. Используем для этого чисто случайное численное совпадение: 32 элементарные частицы и 32 игральные карты. Представим, что у нас в руках колода карт и на каждой из них нарисована одна из элементарных частиц.

В поисках порядка

Стасуем нашу своеобразную колоду карт и поищем в них закономерности. Одним из важнейших параметров частицы является ее электрический заряд. Некоторые частицы им обладают, другие нейтральны. Положим налево заряженные частицы-карты, направо — незаряженные.

Налево ляжет шестнадцать карт, направо — тоже шестнадцать. Дальше. Выпишем массы покоя частиц в порядке их возрастания: 0; 0; 0; 0; 0; 1; 1; 206,7; 206,7; 264,2; 273,2; 273,2; 965; 965; 966,5; 966,5; 1836,1; 1836,1; 1838,6; 1838,6; 2182; 2182; 2324; 2324; 2325; 2325; 2341; 2341; 2567; 2567; 2585; 2585. (За единицу массы здесь условно взята масса самой легкой из весомых в состоянии покоя частиц).

Если вглядеться в приведенные цифры, то можно заметить, что вначале различия в массах получаются очень большими. Переход, например, от пятой частицы к шестой дает совершенно грандиозный скачок — от нуля к значащей величине. Переход от седьмой частицы к восьмой связан с изменением массы в двести семь раз. Начиная же с частицы с массой 1836,1 единиц, утяжеление идет очень плавно и медленно. Это наводит на мысль, что все частицы, массы которых располагаются близ значения в 2000 единиц, имеют какую-то общность. Мы убедимся скоро, что это так и есть на самом деле, что тяжелые частицы по своим свойствам образуют особую группу. Физики назвали тяжелые частицы барионами.

Так вот, если положить на одну сторону барионы, а на другую остальные частицы, то налево ляжет шестнадцать «карт», направо — тоже шестнадцать. Попробуем уже после такого расклада провести деление карт внутри каждой половины колоды по признаку электрической заряженности. Мы получим четыре кучки по восемь карт. Это похоже на масти в игральной колоде; мы могли бы, например, построить такую аналогию: нейтральные небарионы — пики, заряженные небарионы — трефы, нейтральные барионы — бубны, заряженные барионы — червы.

Такой порядок уже приятен — ведь человек всегда стремится к простоте. Однако из деления колоды частиц на четыре масти многого пока что выжать не удалось, хотя мы явно сталкиваемся здесь с какой-то замечательной закономерностью в природе. Приходится вспомнить слова одного из крупных современных исследователей частиц Гелл-Манна: «Может быть, природа упорно хочет сообщить нам что-то важное, но мы не понимаем ее сигналов».

К счастью, имеются другие принципы деления частиц на группы, приводящие не к столь простым, но более плодотворным раскладам. Кажется, истину нужно искать не в том, что выглядит наиболее просто (иной раз «простота хуже воровства»), а в том, что обладает высшей, не сразу бросающейся в глаза гармонией.

Уже по приведенной таблице было видно, что многие частицы попарно обладают одинаковой массой. Исследование показало, что такие пары частиц формируются не только по принципу их тяжести. Выяснилось, что для каждой частицы, кроме двух, существует сопряженная — с такой же массой и с такими же другими свойствами, например моментом вращения, временем жизни и так далее.

Всякая частица, соприкасаясь со своей сопряженной (или с античастицей, как принято говорить), немедленно гибнет, и ее энергия переходит в излучение. Происходит взаимная аннигиляция двух сопряженных частиц — это очень существенное свойство. Если мы теперь захотим разделить в колоде частиц эти пары, то налево ляжет пятнадцать карт, направо — тоже пятнадцать, а посередине останутся все карты, не относящиеся ни к левой, ни к правой кучкам.

Начнем свое конкретное знакомство с обитателями микромира, общую планировку которого мы бегло осмотрели в прошлой статье, как раз с этих двух одиночных частиц. Первая из них была предсказана еще Ньютоном — это квант света, или фотон. Он не имеет массы покоя, движется всегда со скоростью С, одновременно вращаясь, электрически нейтрален, стабилен.

Вторая из непарных частиц — нейтральный пион. Он был обнаружен в 1950 году и вступил в семейство открытых за три года до этого заряженных пионов. Нейтральный пион, называемый еще пи-ноль мезоном, имеет чрезвычайно малое время жизни — он распадается сам собой на другие частицы за 10 в минус 16 степени секунды.

Теперь необходимо предотвратить возможные недоразумения в вопросе о распадах элементарных частиц. Нейтральный пион распадается на два фотона, но это совершенно не значит, что он состоит из двух фотонов. Пион есть пион — элементарная частица. Он неразложим на части. Распад его на два фотона означает превращение в нечто другое, подобное превращению гусеницы в совершенно новый организм — в бабочку. Всюду в дальнейшем мы рекомендуем читателю мыслить о превращении в микромире так: одна элементарная частица исчезает и на ее месте появляется другая элементарная частица (или несколько частиц).

Нейтральный пион удобно рассматривать вместе с его собратьями — заряженными пионами. Тогда эти частицы образуют тройку — триплет. Пионы так объединяются не просто для облегчения классификации частиц. Массы пионов очень близки друг к другу: заряженные обладают массой 273,2 единиц, а нейтральный только чуть легче, у него масса составляет 264,2 единицы.

Так как положительный и отрицательный пионы являются античастицами друг для друга, а нейтральный пион как бы сам себе служит античастицей, мы можем сказать, что пионный триплет и его антитриплет совпадают. Словом, мы вправе несколько изменить последний расклад и положить рядом с нейтральным пионом еще две карты — положительный и отрицательный пионы. В результате у нас в центре будут находиться фотон и пионный триплет; в левой (частицы) и в правой (античастицы) половинах останется по четырнадцать карт.

Фотон и пионный триплет имеют важнейшее сходство — оно состоит не только в их центральной позиции в нашем раскладе. И тот, и другой, ответственны за силы, господствующие между частицами.

Сила — одна из основ всей физики. Силы люди понимали и изучали с незапамятных времен; однако лишь после Ньютона этот термин приобрел точный смысл и лег в фундамент науки о материи. В течение последних трехсот лет физики бились над тем, чтобы получить не только четкое определение понятия «сила», но и объяснить природу сил, проявляющихся в окружающем мире.

Для космических процессов основную роль играет сила тяготения или гравитации. Она была открыта Ньютоном в 1666 году и подверглась исчерпывающему теоретическому анализу в рамках общей теории относительности Эйнштейна (1916 год).

Нас, однако, интересует не космос, а его противоположность — мир ничтожных расстояний. Там господствуют три типа сил:

1. Электромагнитные силы. В микромире они приводят к образованию атомов и молекул.
2. Ядерные силы. Они названы так потому, что без них не существовали бы атомные ядра. Одинаково заряженные протоны из-за взаимного отталкивания не могли бы держаться вместе в ничтожно малой капельке ядра. Ядерные силы действуют между протонами и нейтронами — ядерными частицами — и не зависят от электрического заряда этих частиц. Таким образом, ядерные силы берут на себя функцию формирования уже не атомов, а еще более мелких и более прочных структурных единиц вещества. Это — силы притяжения. Они в сто с лишним раз сильнее электромагнитных.
3. Слабые силы. Название лингвистически не очень удачно, но оно сложилось исторически. Эти силы вызывают некоторые наиболее интересные и пока таинственные превращения элементарных частиц — превращения, которые не могут вызываться первыми двумя типами сил. Название «слабые» произошло оттого, что эти силы в триллионы раз слабее ядерных. Соответственно этому «слабые процессы», являющиеся следствием слабых сил, происходят аномально медленно.

Отложим разговор о третьем типе сил на самый конец и обрисуем вкратце то общее, что роднит электромагнитные и ядерные силы.

По современным воззрениям, притяжение между двумя разноименными зарядами и отталкивание между одноименными обязаны своим существованием непрерывной переброске этими зарядами фотонов. Такую переброску можно представить как попеременное излучение и поглощение фотонов каждым из зарядов. Эти заряды, таким образом, оказываются связанными подобно тому, как связаны два жонглера, быстро перебрасывающиеся какими- либо предметами.

Такая теория обменного происхождения электрического взаимодействия оказалась весьма удачной. Соответствующий математический аппарат доведен в настоящее время до степени высокого совершенства и не только способен объяснить известные феномены, но и делает точные предсказания неоткрытых явлений — предсказания, до сих пор неизменно подтверждавшиеся опытом.

Совершенно так же можно объяснить природу ядерных сил — и они оказываются обменными. Только роль «мяча», которым перекидываются притягивающиеся друг к другу нуклоны, играет не фотон, а пион. Если этот пион, скажем, положительный, то дело происходит так: протон излучает его, теряет электрический заряд и превращается в нейтрон. Затем нейтрон поглощает «чужой» положительный пион и вновь становится протоном.

Вот какая глубокая аналогия существует между фотоном и пионами! Первый оказался причиной сил, связывающих ядро и электронную оболочку атома в устойчивое образование, вторым нужно приносить благодарность за то, что существуют нераспадающиеся атомные ядра. И фотон и пионы — кванты, отдельные порции энергии полей, но разных — соответственно электромагнитного и ядерного. После установления этого факта у нас стало больше оснований смотреть с удовлетворением на фотон и пионный триплет, лежащие рядом в середине нашего расклада частиц.

Теперь нужно разобраться как-то в остальных двадцати восьми частицах, лежащих пока двумя группами по четырнадцать штук. В каждой группе «смешались в кучу кони, люди», и наводить в них порядок следует, используя принцип «от известного к неизвестному».

Нам известно, что пионы образуют триплет. Нет ли и других таких семейств среди элементарных частиц? Есть. Одно из них очень близко к семейству пионов по массе частиц. Это каоны, составляющие дублет и антидублет. Положительный каон дублета имеет массу в 966,5 единиц, нейтральный на полторы единицы легче. Антидублет состоит из отрицательного каона и особого нейтрального, который, хотя имеет ту же массу, что и дублетный нейтральный каон, является античастицей последнего, то есть аннигилирует при взаимодействии с ним.

Каоны похожи на пионы не только по массе, но и по свойству сколь угодно плотно набиваться в пространстве (из всех остальных частиц таким свойством обладает только фотон). К тому же среди продуктов распада каонов почти всегда содержатся пионы. Поэтому каоны и пионы объединяются в одну группу — мезонов.

Немедленно отразим эту классификацию в нашем раскладе карт. В еще не разобранных кучках останется уже по 12 частиц. Рядом с пионами лягут каонный дублет и его антидублет. Группа мезонов, состоящая из семи частиц, больше пополняться не будет. Теперь попытаемся навести порядок в группе тяжелых частиц, барионов.

Там дело обстоит проще. Разделение барионов на семейства близких по массе частиц, напрашивающееся само собой, таково:

1. Дублет из двух частиц: с массой 1836,1 (протон) и 1838,6 (нейтрон).
   2. Синглет (одиночка) — одна нейтральная частица с массой 2182 (ламбда).
   3. Триплет из положительной частицы с массой 2325, отрицательной с массой 2341 и нейтральной с массой 2324 (все три названы сигма-частицами).
   4. Дублет из отрицательной частицы с массой 2585 и нейтральной с маской 2567 (обе называются кси-частицами).

Разумеется, группа антибарионов точно так же распадается на дублет, образованный антипротоном и антинейтроном, синглет из анти-ламбды и т. д.

И, наконец, у нас осталось восемь частиц (четыре частицы и четыре античастицы), не подвергнутых пока классификации. Рассмотрим их.

Две частицы (и соответственно, две их античастицы) родственны тем, что не имеют массы покоя. Это два нейтрино, которые только в 1962 году удалось отличить друг от друга по некоторым свойствам — раньше считали, что существует только одно нейтрино. Они образуют естественную пару, а сопряженные им частицы — «антипару». Воздержимся, однако, называть нейтрино дублетом, так как мы позже увидим, что это наименование обязывает к некоторым свойствам, которых нейтрино не имеет.

Точно так же нельзя назвать дублетом пару последних оставшихся частиц. Это электрон с массой единица и в двести семь раз более тяжелый мюон. Тем не менее, несмотря на разительную разницу в массе, электрон и мюон (точно так же, как их античастицы) по многим признакам, например по силе взаимодействуя с веществами, по вращательному моменту и по некоторым другим чертам поведения, очень между собой схожи и образуют естественную пару.

Подведем краткий итог. Наша колода частиц распалась на четыре группы по восемь частиц в каждой. Это снова как бы «масти», но они образованы иначе, чем в первый раз. «Пики» — это частицы, способные заполнять пространство безо всякого ограничения. В эту «масть» входят фотон и пионы — элементарные составляющие силовых полей, как бы частицы-посредники, плюс их близкие родственники — каоны.

Ровно половина «пик» нейтральна, половина заряжена, четверть — отрицательными зарядами. То же самое можно будет сказать и о других «мастях».

«Трефами» можно считать хотя бы группу из двух нейтрино, двух антинейтрино, электронно-мюонной пары и ее антипары. Эти восемь частиц получили название лептонов (вообще говоря, к лептонам относят еще и фотон, но принцип, положенный нами в основу классификации, вынудил присоединить его к другой группе).

За «бубны» примем, например, барионные дублеты — протонно-нейтронный, называемый еще нуклонным, и дублет кси. Со своими антидублетами они образуют восьмерку частиц.

Наконец, в качестве «червей» вполне могут подойти синглет ламбда с триплетом сигма и их античастицы.

Читатель может сейчас выразить удивление: когда-то мы без энтузиазма говорили о разбиении всей совокупности элементарных частиц на четыре равных группы, теперь же снова вернулись к этой идее, сделав лишь некоторые перестановки. Чем новые «масти» лучше прежних?

Конечно, и сейчас многое в нашем раскладе условно. Но отказ от деления по признаку электрического заряда и переход к естественным группам частиц, а также выделение в особую «масть» мезонов имеют глубокий смысл.

Какой — мы сейчас увидим. Но для этого нам придется, кроме статистических свойств частиц, рассмотреть динамические, заняться систематизацией их взаимных превращений. Карты разложены — пора знакомиться с правилами игры.

Как мы уже знаем (из прошлых частей), стабильными являются девять частиц. Пять из них не имеют массы покоя — фотон и два нейтрино со своими антинейтрино. Из вещественных частиц устойчиво ведут себя электрон, антиэлектрон (или позитрон), протон и антипротон. Остальные частицы, то есть больше чем две трети всех, через какое-то время после своего рождения сами собой разваливаются на другие частицы. Иногда происходит целая цепочка превращений: дело всегда, разумеется, кончается тем, что остаются лишь стабильные частицы. Вот пример такой цепочки.

Отрицательная кси-частица живет одну миллиардную долю секунды и самопроизвольно распадается затем на нейтральную ламбда-частицу и отрицательный пион. Ламбда в свою очередь через 2,77 секунды после своего рождения гибнет, порождая протон и отрицательный пион. Протон выбывает из дальнейшей игры в переодевания — он стабилен. Каждый же из двух появившихся на свет пионов дает отрицательный мюон и стабильное антинейтрино, затрачивая на это около стомиллионной доли секунды. Наконец, через такой «большой» срок, как две миллионных доли секунды, на месте исчезнувших мюонов появляется по электрону, нейтрино и антинейтрино. В результате всех этих пертурбаций мир пополнился лишь стабильными частицами — протоном и шестью нейтрино.

Естественно, встает вопрос: а откуда же берутся нестабильные частицы? Они рождаются при столкновениях элементарных частиц, в том числе и стабильных. Большинство неустойчивых частиц было открыто с помощью бомбардировки вещества пучками частиц высокой энергии в ускорителях.

Энергия! Это слово дает нам первый ключ к пониманию динамических свойств элементарных частиц. Она сохраняется при всех превращениях, то есть суммарная энергия частиц, участвующих в реакциях и распадах, остается всегда постоянной. Закон этот нужно считать одним из наиболее прочно установленных в природе.

Даже самые грубые качественные выводы из закона сохранения энергии в приложении к распадам частиц являются весьма ценными — они сразу резко ограничивают возможность превращений. Скажем, неподвижный нейтрон не может распасться с образованием ламбда-частицы, ибо минимальная энергия последней превосходит энергию покоя нейтрона. Иначе говоря, по отношению к покоящимся частицам будет справедливо такое правило: никакая частица не может в результате какой-либо реакции дать в качестве одного из продуктов более тяжелую частицу. Ведь согласно теории относительности Эйнштейна минимальная энергия тела (в состоянии покоя) равна произведению массы тела на квадрат скорости света. Когда частица движется, к ее энергии покоя прибавляется кинетическая энергия.

Однако, такое ограничение все-таки остается достаточно рыхлым. Оно становится много лучше после количественного уточнения: «Вероятность определенного распада элементарной частицы или какой-то реакции между частицами очень круто возрастает с увеличением превышения полной энергии исходных частиц над энергией покоя частиц-продуктов».

Эта не совсем складная фраза означает следующее: когда полная энергия (энергия покоя плюс кинетическая энергия) исходной системы частиц равна энергии покоя системы, которая должна возникнуть в результате превращения, то вероятность превращения равна нулю.

Если же превращение высвобождает некоторую энергию, которая превращается в кинетическую энергию продуктов реакции, то вероятность превращения уже становится заметной.

Вот пример: во время бета-распада нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино. Нейтрон весит 1838,6 единиц, протон и электрон в сумме — 1837,1 единиц. Нейтрино невесомо. Как видно, здесь запаса энергии первоначальной ступени — нейтрона едва хватает на то, чтобы создать конечные продукты. Излишек, уходящий в кинетическую энергию этих продуктов, совсем мал. Поэтому свободный нейтрон живет сравнительно долго (около 12 минут), вероятность бета-распада мала.

Другое дело, скажем, кси-частица, схема распада которой нам уже знакома. Она весит 2585 единиц, а ее дочерняя система — ламбда плюс пион — всего 2455,2 единиц, то есть на сто двадцать девять и две десятых единиц меньше. Разница в этом случае весьма ощутима, поэтому кси распадается мгновенно. Чем больше перепад между верховьем реки и ее устьем, тем быстрее река течет.

Но простое логическое рассуждение показывает, что законы превращений элементарных частиц не могут сводиться к сформулированным сейчас правилам. Иначе все тяжелые частицы стремились бы как можно скорее избавиться от гнетущей энергии покоя и превратиться в быстролетные легкие частицы. В конечном счете, за несколько мгновений весь мир обратился бы в фотоны и нейтрино.

На самом же деле этого не происходит. Цепочки последовательных превращений обрываются не только на невесомых частицах, но и на протонах и электронах, антипротонах и позитронах.

Почему же протон не распадается дальше, скажем, не переходит в пион плюс фотон? По энергии такой переход был бы очень избыточным, то есть, казалось бы, интенсивным. Или почему оказывается стабильным электрон, ведь энергетически ему выгодно превратиться в частицы без массы покоя? Начнем с последнего вопроса, так как многие из читателей, вероятно, сами близки к ответу на него.

— Электрон заряжен отрицательно, скажут они, — а фотоны и нейтрино нейтральны. Куда же денется заряд, если электрон превратится в невесомые частицы? Здесь здравый смысл дает тот же вывод, что и наука — явление не такое уж частое. Хотя неуничтожимость электрического заряда ниоткуда теоретически не следует, она представляет собой опытный факт, установленный почти так же незыблемо, как невозможность построения вечного двигателя (то есть закон неуничтожимости энергии). Основываясь на этом факте, можно дать второе правило «игры» элементарных частиц: «Алгебраическая сумма зарядов исходной системы должна быть равна алгебраической сумме зарядов дочерной системы».

Однако, это еще не все. Закону сохранения заряда вовсе не противоречило бы превращение протона в положительный пион и фотон. И первому энергетическому правилу не противоречило бы тоже. И коль протон оказывается устойчивым, значит, на игру наложены еще какие-то условия. Одно из них было открыто сравнительно недавно, но оказалось настолько важным, что кажется сейчас ученым чуть ли не очевидным. Вот это условие: «Разность между числом барионов и числом антибарионов в какой-то системе частиц остается неизменной при любых превращениях этой системы».

Как частный случай этого закона, получается например, такое правило: барион не может превратиться целиком в небарионные частицы — он перейдет в систему, обязательно содержащую либо барион, либо два бариона и антибарион, либо три бариона и два антибариона и т. д.

Физики ввели в употребление термин «барионное число». Считается, что для всякого бариона оно равно единице, для всякого антибариона — минус единице, для всякого небариона — нулю. С помощью определенного таким образом термина удобно переформулировать наше третье правило как «закон сохранения суммарного барионного числа системы».

Хотя установленные нами три правила поведения частиц охватывают далеко не все, что знает современная ядерная физика, хотя остались не обсужденными даже некоторые универсальные законы, например закон сохранения импульса или закон сохранения вращательного момента, — мы можем понемножку начинать игру с нашими «картами». Если мы будем неукоснительно выполнять данные выше три рецепта, у нас получится уже что-то напоминающее реальную «игру» природы.

Однако нам думается, что читатель должен быть несколько разочарован.
— Где же та запутанность свойств частиц и их превращений, о которой говорилось вначале? — спросит он.— Всего три правила игры, причем правила очень ясные. В преферансе карт столько же, а законы куда хитрее, но ведь за преферанс никто еще не получил Нобелевскую премию. Мы вынуждены поддержать честь элементарных частиц и сказать, что в их превращениях открыты более тонкие особенности, чем те, о которых было рассказано. Открыты они были при изучении реакций с участием барионов, более тяжелых, чем нуклоны, и каонов. Частицы с такими особенностями,— а всего их опять-таки шестнадцать, ровно половина нашей «колоды»,— были названы «странными» частицами.

Термин этот пристал к ним потому, что их распад не подчинялся самым, казалось, элементарным требованиям — требованиям первого правила. Нет, не закон сохранения энергии нарушался — это вообще была бы сенсация, а не выполнялось до этого стоявшее незыблемо на фундаменте опыта и объясненное теоретически соотношение между временем жизни частицы и превышением ее энергии над энергией покоя рождающейся из нее системы.

Странные частицы живут значительно дольше, чем им положено. Взять хотя бы ламбду. Ее масса почти на восемьдесят единиц превосходит суммарную массу продуктов ее распада — протона и пиона. Ну, как жить с таким энергетическим избытком,— его надо немедленно сбросить, превратить в движение, ведь ни второе, ни третье правило распада этому не препятствуют! Крутизна перепада масс при превращении ламбды в протонно-пионную пару такова, что это превращение должно произойти за 10 в минус 24 степени секунды. Так заявляет наука. А как на деле ведет себя ламбда?

Самым «наглым» образом. Она ухитряется прожить 10 секунд, то есть в сто триллионов раз дольше, чем предсказывает теория. Такое несоответствие, конечно, не лезет ни в какие ворота. И удрученные им теоретики назвали поразительно жизнеспособные частицы «странными». Однако, время фетишизации слов давно кануло в вечность, и ученые не могли не понимать, что «странной» рискует выглядеть наука, становящаяся в тупик перед объективными фактами природы.

Разгадку удалось найти, когда стали рассматривать не отдельные частицы, а их семейства. Признаки, общие для всех частиц одного и того же дублета или триплета, дали ключ к осмыслению «странности».

Начнем с барионов. Первое по шкале возрастающих масс (и, главное, по значению для структуры вещества) семейство в этой группе — нуклонный дублет, пара нейтрон — протон. Средний заряд дублета равен половине. Такое значение среднего заряда и было сочтено нормальным для всего барионного семейства.

Однако, ламбда, которая представляет собой синглет, то есть семейство в одном единственном, собственном лице, не будет с этой точки зрения нормальным барионом. Она нейтральна, значит, средний заряд синглета равен нулю. Мы наблюдаем отклонение от среднего заряда «нестранного» дублета протон — нейтрон в отрицательную сторону на половину единицы заряда. Можно сказать, что средний заряд ламбда смещен на минус одну вторую от стандартного значения.

Триплет сигма также имеет средний заряд, равный нулю, и о его смещении нужно повторить то же самое, что сказано о ламбде. Дублет кси, состоящий из отрицательной и нейтральной частиц, имеет средний заряд минус половина. Он смещен по отношению к норме на минус единицу.

Так вот, ученые условно удваивают величину смещения и называют полученную цифру «странностью». Слово «странность» здесь имеет уже не такой смысл, как в обыденной жизни. Это точная количественная мера частицы такая же, как, скажем, энергия, импульс, барионное число и т. д. Значение странности у античастиц такое же, но противоположно по знаку.

То, что в термине «странность» присутствует эмоциональный оттенок (впрочем, для физиков, изо дня в день занимающихся исследованием частиц, этот оттенок исчезает и слово «странность» воспринимается ими как слово «скорость», «индуктивность» и т. д.) говорит о том, что явления природы производят впечатление не только на разум, но и на чувства ученых.

Зачем понадобилось введение такой характеристики частиц, как странность? Оказывается, если реакция между частицами идет так, что суммарная странность системы (сумма странностей частиц) до реакции равна суммарной странности после нее, то скорость процесса соответствует сильному, или ядерному взаимодействию. Конкретное время жизни может быть в этом случае найдено из обычных энергетических соображений.

Те же процессы, где суммарная странность меняется в результате превращения частиц, протекают лишь по законам слабых взаимодействий, то есть здесь проявляются силы в триллионы раз меньше ядерных. Естественно, что в таких процессах появляется совершенно другая шкала времени.

Слабые взаимодействия были известны, конечно, до открытия странных частиц. Но мысль, что барионы — частицы типично ядерные, рождающиеся лишь при сильных процессах, могут распадаться по законам слабых процессов, никому долгое время не приходила в голову. Казалось невероятным, что частица, появившаяся на свет в результате сильного взаимодействия, «забывает» о своем происхождении и начинает вести себя так, будто ей знакомы только слабые поля.

Все встало на свои места после того, как было сформулировано четвертое правило превращений элементарных частиц: «Для сильных взаимодействий справедлив закон сохранения странности. Если взаимодействие является слабым, то странность может меняться».

Таким образом, постоянство странности уже не является универсальным свойством реакций между частицами, как постоянство энергии, заряда и барионного числа. Тем не менее, четвертое правило четко — это не рецепт типа «не с чего ходить — ходи с бубей», а количественная формулировка, имеющая однозначный смысл. Оговорка «если…» не создает двусмысленности, подобно тому, как не приводит к недоразумениям правило многих карточных игр: «класть ту же масть, что и партнер; если нет масти — класть козырь».

Разгадав правило странностей, ученые поняли, почему некоторые частицы рождаются от сильного взаимодействия, а гибнут от слабого. Чтобы это стало ясно также нашему читателю, мы разберем конкретный пример.

Протон, обладающий огромной кинетической энергией, налетает на другой протон. При этом рождаются, скажем, два странных бариона — сигма-плюс и ламбда. Пользуясь имеющимися в нашем распоряжении правилами, мы можем выяснить, какие еще частицы будут среди продуктов реакции и что произойдет с этими частицами дальше. Так как запас энергии мы приняли неограниченным, «огромным», то следует начать с закона сохранения заряда. Он выполняется и без добавочных частиц. Барионное число также сохраняется. Было два бариона — и стало два. Странность же меняется — у первоначальной системы она равнялась нулю, у сигма- плюс и ламбды совместная странность равна минус двум.

Для выправления несоответствия странностей, мы можем добавить в число производных частиц антикси-ноль. Она нейтральна, поэтому с законом сохранения зарядов все по-прежнему в порядке. Странность у нее равна плюс двум, так что теперь и четвертое правило удовлетворяется. Однако, добавление антикси-ноль нарушило третье правило превращений — барионный заряд производной системы стал равен единице, а у первоначальной системы он равнялся двум. Устранить несовпадение можно прибавлением нейтрона, у которого барионное число равно единице, а заряд и странность равны нулю. Теперь все в порядке, все правила игры соблюдены.

Обращаем внимание читателя на то, что взаимодействие наше было типично ядерным, сильным. Три странных бариона и нейтрон родились за время порядка 10 в 24 степени секунды. Поэтому странность в процессе рождения необходимо сохраняется — этого требует четвертый закон.

Но, родившись, частицы-продукты начали разлетаться в разные стороны и навеки оторвались друг от друга. Если дело происходит в вакууме, то каждая из частиц не может уже встретиться с другой и единственный возможный для нее процесс — это распад. Но могут ли только что рожденные странные барионы распасться сильным способом, то есть с сохранением странности? Оказывается, нет.

В самом деле, кси по первому и второму правилам может превратиться в ламбда и пион. Но странность в этом случае изменится. А желая выполнить четвертое правило, мы начнем нарушать первое, второе и третье.

То же самое положение возникает для ламбды. Ее странность равна минус единице. По своей массе ламбда превосходит только нуклоны. Следовательно, не сталкиваясь ни с какой другой частицей, самопроизвольно превратиться она ни во что, кроме нейтрино или протона, не может (из-за первого закона механики частица не может сама собой остановиться и передать свою кинетическую энергию возникшей массе). Могут быть два варианта:

1. Превращение в протон и отрицательный пион и,
   2. Превращение в нейтрон и нейтральный пион.

И тот и другой распады реализуются в действительность. Но в обоих случаях меняется странность системы. Из минус единицы она обращается в ноль. Потому сильными такие процессы быть не могут, и время их протекания колоссально затягивается.

Такая затяжка не «прихоть» частицы, не случайность. Частица «с удовольствием» распалась бы мгновенно сильным способом, но это просто невозможно сделать — «не придумаешь» соответствующих схем распада. И частица вынуждена существовать аномально долго до тех пор, пока слабые силы не изменят ее странность.

В группе мезонов тоже существуют странные частицы — каоны. Нормальный мезон — пион — является членом триплета со средним зарядом нуль. У каонного же дублета средний заряд равен плюс половине. Значит, странность каона равна единице. Странность антикаона, разумеется, равна минус единице.

Итак, читатель получил в свое распоряжение описание карт, их классификацию и основные правила ходов. Теперь, чтобы разыгрывать партии, аналогичные процессам, происходящим в невидимых глубинах вещества, нужна только практика. Мы предлагаем вначале воспользоваться нашей помощью. Мы сконструируем совместно хотя бы одну допустимую в природе реакцию превращения частиц.

Рождение антипротона

Антипротон был впервые обнаружен в пучке синхрофазотрона в Беркли (США) осенью 1955 года. Выдающееся открытие было сделано под руководством Сегре и Чемберлена, получивших за него Нобелевскую премию. Разогнанные до шести миллиардов электроновольт протоны бомбардировали мишень. Антипротоны рождались при столкновении летящих протонов с протонами ядер мишени.

Ясно, что, кроме антипротона, при этом должны рождаться еще какие-то частицы — иначе не выполняется второе и третье правила. Посмотрим, какие могут здесь быть варианты.

Первый вариант. Рождаются три протона и один антипротон. Иногда о такой реакции говорят, что рождается пара протон — антипротон, подразумевая молчаливо, что имеются еще два протона, существующие с самого начала. Именно такая реакция произошла в мишени берклиевского ускорителя.

Можно показать математически строго, что при кинетической энергии ускоренного протона в шесть миллиардов электроновольт никакая другая схема, приводящая к рождению антипротона на протонной мишени, осуществляться не может. Но если запас полной энергии начальной системы протон — антипротон достаточно велик, то возможности расширяются. В частности, становится в какой-то степени вероятной следующая реакция.

Второй вариант. Вместе с антипротоном рождается ламбда. Чтобы удовлетворить требованию сохранения барионного числа, добавим две положительные сигмы. Чего еще не хватает для полного баланса? Нетрудно видеть, что недостает положительного заряда и тройной положительной странности. Возьмем один положительный и два нейтральных каона, присоединим их к продуктам реакции и таким способом сведем концы с концами. Читатель может убедиться, что все правила превращений теперь выполнены.

Возвращаясь к вопросу об энергии, заметим, что для реализации последней схемы превращений современные крупнейшие ускорители уже достаточны. Энергия их пучков достигает 30 миллиардов электроновольт — это равносильно массе в шестьдесят тысяч единиц (электронных масс). Поэтому такая реакция то и дело происходит и в лабораторных экспериментах, и в космических лучах. Но ее, конечно, заглушает требующая меньшей энергии реакция первого варианта.

Итак, в кажущемся хаосе свойств частиц как будто намечаются черты порядка. Однако здесь добыты лишь сугубо предварительные сведения. Всех законов микромира никто пока не знает.

Странность при сильных процессах сохраняется — это установлено. Но неизвестно, почему она сохраняется при этих процессах и почему она меняется при слабых взаимодействиях. Неизвестно и то, каков механизм слабых сил.

А почему, например, мюон в 207 раз тяжелее электрона? Вообще, почему у частиц именно такие массы, а не другие? Почему… Да мало ли можно задать «почему»!

Может быть, принципиально неправильно доискиваться ответа на эти вопросы? Что, если считать известные нам из опыта свойства частиц аксиомами?

Вряд ли следует так поступить. Закономерности микромира, какими они нам предстают сейчас, слишком сложны для постулатов. Человеческий ум критичен, и он не может удовлетвориться такой «аксиомой», как «при слабых взаимодействиях странность иногда меняется». Ученый хочет уловить не только правила игры, но и ее смысл.

Автор: В. Тростников.