Елементарні частинки: просто і зрозуміло з погляду фізики

З незапам’ятних часів люди прагнули вийти за природні рамки, поставлені природою, і проникнути розумом у світи, що лежать за межами безпосереднього сприйняття: світ малого і світ величезного. Тріумфальні успіхи спостережної та експериментальної астрономії дозволяють зараз сказати, що світ великих величин став у своїх основних рисах зрозумілий людині. А як же йде справа на іншому фронті?

Генеральний прорив здійснений там зовсім недавно. Мислителі давнини і середніх віків про глибинні властивості матерії могли висловити лише логічні висновки. Основним предметом дискусії було в той час наступне: дроблячи частинки речовини все дрібніше і дрібніше, доберемося ми коли-небудь до межі подільності або процес дроблення можна буде продовжувати нескінченно?

Відповідь приніс експеримент. В кінці XIX століття людині вдалося заглянути за допомогою приладів в область малого, приховану від неозброєних органів чуття. Правими виявилися атомісти – прихильники існування найменших нероздільних частинок. Дослідне підтвердження їхніх ідей було найбільшим тріумфом розуму.

На перший погляд – хаос

Фізики відкрили до сьогоднішнього дня тридцять дві елементарні частинки. При цьому властивості різних частинок абсолютно не схожі між собою і не перебувають стосовно одна до одної в якомусь простому і ясному співвідношенні. Здається, серед найдрібніших цеглинок матерії панує гасло: «хто на що здатний». Важко навіть вирішити, з чого почати, настільки строката картина.

П’ять частинок мають масу спокою, рівну нулю, іншими словами, не можуть не рухатися. (Вони летять в порожнечі завжди зі швидкістю світла С, яка дорівнює 300 000 кілометрів на секунду). З інших двадцяти семи найважча перевершує за масою найлегшу більш ніж в два з половиною тисячі разів. Швидкості інших частинок менші швидкості світла; вони можуть бути також рівними нулю – ці частинки існують і в стані повного спокою.

Дев’ять є стабільними – вони не відчувають тенденції перетворюватися мимовільно в якісь інші частинки і живуть у вакуумі необмежено довгий час. Двадцять три частинки нестійкі, і час їх життя коливається від 10 у мінус 16 ступені секунди до 1000 секунд. Двадцять п’ять часток обертаються навколо своєї осі, причому чотири з них завжди крутяться в певну сторону по відношенню до свого поступального руху. Сім часток не обертаються.

Можна було б перерахувати ще кілька ознак, різноманітність яких створює настільки широку строкатість у світі елементарних частинок, але і сказаного досить, щоб викликати в читача сумні думки про те, як важко класифікувати мешканців мікросвіту.

Завдання, мабуть, складніше, ніж те, яке стояло перед Ліннеєм – класифікувати тварин. Зрештою, всі тварини схожі одна на іншу: всі дихають, їдять, п’ють, розмножуються, у всіх відбувається обмін речовин, всі вони смертні. І якщо метелик живе один день, а ворон – триста років (останнє, здається, недостовірно, проте термін в 300 років може бути взятий за верхню межу), то відмінність у часі життя тут зовсім мізерна в порівнянні з відмінністю в довговічності елементарних частинок. Вік ворона більше віку метелика всього в сто тисяч разів, часи ж життя частинок, навіть якщо брати тільки «смертні», тобто нестабільні частинки, відрізняються в 1019 разів. Секунда і десять мільярдів років (вся історія Землі!) – ось єдиний приклад, який може якось проілюструвати цю різницю.

І все-таки ми не можемо відмовитися від вирішення завдання. Використовуємо для цього чисто випадковий чисельний збіг: 32 елементарні частинки і 32 гральні карти. Уявімо, що у нас в руках колода карт і на кожній з них намальована одна з елементарних часток.

У пошуках порядку

Стосуємо нашу своєрідну колоду карт і пошукаємо в них закономірності. Одним з найважливіших параметрів частинки є її електричний заряд. Деякі частинки ним володіють, інші нейтральні. Покладемо наліво заряджені частинки-карти, направо – незаряджені.

Ліворуч ляже шістнадцять карт, направо – теж шістнадцять. Далі. Випишемо маси спокою частинок в порядку їх зростання: 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 одиницю маси тут умовно взята маса найлегшої з вагомих в стані спокою частинок).

Якщо вдивитися в наведені цифри, то можна помітити, що спочатку відмінності в масах виходять дуже великими. Перехід, наприклад, від п’ятої частки до шостої дає абсолютно грандіозний стрибок – від нуля до значущої величини. Перехід від сьомої частки до восьмої пов’язаний зі зміною маси в двісті сім разів. Починаючи ж з частинки з масою 1836,1 одиниць, зростання йде дуже плавно і повільно. Це наводить на думку, що всі частинки, маси яких розташовуються поблизу значення в 2000 одиниць, мають якусь спільність. Ми переконаємося скоро, що це так і є насправді, що важкі частинки за своїми властивостями утворюють особливу групу. Фізики назвали важкі частки баріонами.

Так от, якщо покласти на одну сторону баріони, а на іншу інші частинки, то наліво ляже шістнадцять «карт», направо – теж шістнадцять. Спробуємо вже після такого розкладу провести поділ карт всередині кожної половини колоди за ознакою електричної зарядженості. Ми отримаємо чотири купки по вісім карт. Це схоже на масті в гральній колоді; ми могли б, наприклад, побудувати таку аналогію: нейтральні небаріони – піки, заряджені небаріони – трефи, нейтральні баріони – бубни, заряджені баріони – черви.

Такий порядок вже приємний – адже людина завжди прагне до простоти. Однак з поділу колоди частинок на чотири масті багато чого поки що вичавити не вдалося, хоча ми явно бачимо тут якусь чудову закономірність в природі. Доводиться згадати слова одного з великих сучасних дослідників частинок Гелл-Манна: «Може бути, природа наполегливо хоче повідомити щось важливе, але ми не розуміємо її сигналів».

На щастя, є інші принципи розподілу часток на групи, що призводять не до настільки простих, але більш плідних розкладів. Здається, істину потрібно шукати не в тому, що виглядає найбільш просто (інший раз «простота гірша воровства»), а в тому, що має вищу, не впадаючу в очі гармонію.

Вже по наведеній таблиці було видно, що багато частинок попарно володіють однаковою масою. Дослідження показало, що такі пари частинок формуються не тільки за принципом їх тяжкості. З’ясувалося, що для кожної частинки, крім двох, існує сполучена – з такою ж масою і з такими ж іншими властивостями, наприклад моментом обертання, часом життя і так далі.

Всяка частка, стикаючись зі своєю сполученою (або з античастинкою, як прийнято говорити), негайно гине, і її енергія переходить у випромінювання. Відбувається взаємна анігіляція двох сполучених часток – це дуже істотна властивість. Якщо ми тепер захочемо розділити в колоді частинок ці пари, то наліво ляже п’ятнадцять карт, направо – теж п’ятнадцять, а посередині залишаться всі карти, що не відносяться ні до лівої, ні до правої купки.

Почнемо своє конкретне знайомство з мешканцями мікросвіту, загальне планування якого ми побіжно оглянули в минулій статті, якраз з цих двох одиночних частинок. Перша з них була передбачена ще Ньютоном – це квант світла, або фотон. Він не має маси спокою, рухається завжди зі швидкістю С, одночасно обертаючись, електрично нейтральний, стабільний.

Друга з непарних частинок – нейтральний піон. Він був виявлений в 1950 році і вступив в сімейство відкритих за три роки до цього заряджених піонів. Нейтральний піон, званий ще пі-нуль мезоном, має надзвичайно малий час життя – він розпадається сам собою на інші частинки за 10 в мінус 16 ступені секунди.

Тепер необхідно попередити можливі непорозуміння в питанні про розпади елементарних частинок. Нейтральний піон розпадається на два фотони, але це зовсім не означає, що він складається з двох фотонів. Піон є піон – елементарна частинка. Він не розкладається на частини. Розпад його на два фотони означає перетворення в щось інше, подібне перетворенню гусениці в абсолютно новий організм – в метелика. Всюди надалі ми рекомендуємо читачеві мислити про перетворення в мікросвіті так: одна елементарна частинка зникає і на її місці з’являється інша елементарна частинка (або декілька частинок).

Нейтральний піон зручно розглядати разом з його побратимами – зарядженими піонами. Тоді ці частинки утворюють трійку – триплет. Піони так об’єднуються не просто для полегшення класифікації частинок. Маси піонів дуже близькі один до одного: заряджені мають масу 273,2 одиниць, а нейтральний тільки трохи легше, у нього маса становить 264,2 одиниці.

Так як позитивний і негативний піони є античастинками один для одного, а нейтральний піон як би сам собі служить античастинкою, ми можемо сказати, що піоний триплет і його антитриплет збігаються. Словом, ми маємо право дещо змінити останній розклад і покласти поруч з нейтральним піоном ще дві карти – позитивний і негативний піони. В результаті у нас в центрі будуть знаходитися фотон і піоний триплет; в лівій (частинки) і в правій (античастинки) половинах залишиться по чотирнадцять карт.

Фотон і піоний триплет мають найважливішу схожість – вона полягає не тільки в їх центральній позиції в нашому розкладі. І той, і інший, відповідальні за сили, панівні між частинками.

Сила – одна з основ всієї фізики. Сили люди розуміли і вивчали з незапам’ятних часів; однак лише після Ньютона цей термін набув точний зміст і ліг у фундамент науки про матерію. Протягом останніх трьохсот років фізики билися над тим, щоб отримати не тільки чітке визначення поняття «сила», а й пояснити природу сил, що виявляються в навколишньому світі.

Для космічних процесів основну роль грає сила тяжіння або гравітації. Вона була відкрита Ньютоном в 1666 році і піддалася вичерпному теоретичному аналізу в рамках загальної теорії відносності Ейнштейна (1916 рік).

Нас, однак, цікавить не космос, а його протилежність – світ незначних відстаней. Там панують три типи сил:

1. Електромагнітні сили. У мікросвіті вони призводять до утворення атомів і молекул.

2. Ядерні сили. Вони названі так тому, що без них не існували б атомні ядра. Однаково заряджені протони через взаємне відштовхування не могли б триматися разом в мізерно малій крапельці ядра. Ядерні сили діють між протонами і нейтронами – ядерними частками – і не залежать від електричного заряду цих частинок. Таким чином, ядерні сили беруть на себе функцію формування вже не атомів, а ще більш дрібних і більш міцних структурних одиниць речовини. Це – сили тяжіння. Вони в сто з гаком разів сильніше електромагнітних.

3. Слабкі сили. Назва лінгвістично не дуже вдала, але вона склалася історично. Ці сили викликають деякі найцікавіші і поки таємничі перетворення елементарних частинок – перетворення, які не можуть викликатися першими двома типами сил. Назва «слабкі» пішла тому, що ці сили в трильйони разів слабкіше ядерних. Відповідно цьому «слабкі процеси», що є наслідком слабких сил, відбуваються аномально повільно.

Відкладемо розмову про третій тип сил на самий кінець і змалюємо коротенько те спільне, що ріднить електромагнітні і ядерні сили.

За сучасними поглядами, тяжіння між двома різнойменними зарядами і відштовхування між однойменними зобов’язані своїм існуванням безперервному перекиданню цими зарядами фотонів. Таке перекидання можна представити як позмінне випромінювання і поглинання фотонів кожним із зарядів. Ці заряди, таким чином, виявляються пов’язаними подібно до того, як пов’язані два жонглера, які швидко жонглюють предметами.

Така теорія обмінного походження електричної взаємодії виявилася досить вдалою. Відповідний математичний апарат доведений в даний час до ступеня високої досконалості і не тільки здатний пояснити відомі феномени, але і робить точні передбачення невідкритих явищ – передбачення, що досі незмінно підтверджує дослід.

Абсолютно так само можна пояснити природу ядерних сил – і вони виявляються обмінними. Тільки роль «м’яча», яким перекидаються притягнені один до одного нуклони, грає не фотон, а піон. Якщо цей піон, скажімо, позитивний, то справа відбувається так: протон випромінює його, втрачає електричний заряд і перетворюється в нейтрон. Потім нейтрон поглинає «чужий» позитивний піон і знову стає протоном.

Ось яка глибока аналогія існує між фотоном і піонами! Перший виявився причиною сил, що зв’язують ядро і електронну оболонку атома в стійке утворення, другим потрібно приносити подяку за те, що існують не розкладені атомні ядра. І фотон і піон – кванти, окремі порції енергії полів, але різних – відповідно електромагнітного та ядерного. Після встановлення цього факту у нас стало більше підстав дивитися із задоволенням на фотон і піоний триплет, що лежать поруч в середині нашого розкладу частинок.

Тепер потрібно розібратися якось в інших двадцяти восьми частинках, що лежать поки двома групами по чотирнадцять штук. У кожній групі «змішалися в купу коні, люди», і наводити в них порядок слід, використовуючи принцип «від відомого до невідомого».

Нам відомо, що піони утворюють триплет. Чи немає і інших таких сімейств серед елементарних частинок? Є. Одне з них дуже близько до сімейства піонів за масою частинок. Це каони, що складають дублет і антидублет. Позитивний каонів дублет має масу в 966,5 одиниць, нейтральний на півтори одиниці легше. Антидублет складається з від’ємного каона і особливого нейтрального, який, хоча має ту ж масу, що і дублетний нейтральний каон, є античастинкою останнього, тобто анігілює при взаємодії з ним.

Каони схожі на піони не тільки по масі, але і по властивості як завгодно щільно набиватися в просторі (із всіх інших частинок такою властивістю володіє тільки фотон). До того ж серед продуктів розпаду каонів майже завжди містяться піони. Тому каони і піони об’єднуються в одну групу – мезонів.

Негайно відобразимо цю класифікацію в нашому розкладі карт. У ще не розібраних купках залишиться вже по 12 частинок. Поруч з піонами ляжуть каонів дублет і його антидублет. Група мезонів, що складається з семи частинок, більше поповнюватися не буде. Тепер спробуємо навести порядок в групі важких частинок, баріонів.

Там справа йде простіше. Поділ баріонів на сімейства близьких за масою частинок, напрошується сам собою, такий:

1. Дублет з двох частинок: з масою 1836,1 (протон) і 1838,6 (нейтрон).
   2. Синглет (одиночка) – одна нейтральна частинка з масою 2182 (лямбда).
   3. Триплет з позитивною частинкою з масою 2325, негативною з масою 2341 і нейтральною з масою 2324 (всі три названі сигма-частинками).
   4. Дублет з негативною частинкою з масою 2585 і нейтральною з маскою 2567 (обидві називаються ксі-частинками).

Зрозуміло, група антибаріонів точно так же розпадається на дублет, утворений з антипротонів та антинейтрона, синглета з анти-ламбда і т. д.

І, нарешті, у нас залишилося вісім частинок (чотири частинки і чотири античастинки), не підданих поки класифікації. Розглянемо їх.

Дві частинки (і відповідно, дві їх античастинки) споріднені тим, що не мають маси спокою. Це два нейтрино, які тільки в 1962 році вдалося відрізнити один від одного за деякими властивостями – раніше вважали, що існує тільки одне нейтрино. Вони утворюють природну пару, а пов’язані їм частки – «антипару». Утримаємося, однак, називати нейтрино дублетом, так як ми пізніше побачимо, що це найменування зобов’язує до деяких властивостей, яких нейтрино не має.

Точно так же не можна назвати дублетом пару останніх залишених частинок. Це електрон з масою в одиницю і в двісті сім разів важчий мюон. Тим не менш, незважаючи на разючу різницю в масі, електрон і мюон (точно так само, як їх античастинки) за багатьма ознаками, наприклад за силою взаємодії з речовинами, по обертальному моменту і по деяким іншим рисам поведінки, дуже між собою схожі і утворюють природну пару.

Підведемо короткий підсумок. Наша колода частинок розпалася на чотири групи по вісім частинок в кожній. Це знову як би «масті», але вони утворені інакше, ніж у перший раз. «Піки» – це частинки, здатні заповнювати простір без жодного обмеження. У цю «масть» входять фотон і піон – елементарні складові силових полів, як би частинки-посередники, плюс їхні близькі родичі – каони.

Рівно половина «пік» нейтральна, половина заряджена, чверть – негативними зарядами. Те ж саме можна буде сказати і про інші «масті».

«Трефою» можна вважати хоча б групу з двох нейтрино, двох антинейтрино, електронно-мюонної пари та її антипари. Ці вісім частинок отримали назву лептонів (взагалі кажучи, до лептонів відносять ще й фотон, але принцип, покладений нами в основу класифікації, змусив приєднати його до іншої групи).

За «бубни» приймемо, наприклад, баріонні дублети – протонно-нейтронний, званий ще нуклонами, і дублет ксі. Зі своїми антидублетами вони утворюють вісімку частинок.

Нарешті, як «черви» цілком можуть підійти синглет лямбда з триплетом сигма та їх античастинки.

Читач може зараз висловити подив: колись ми без ентузіазму говорили про розбиття всієї сукупності елементарних частинок на чотири рівних групи, тепер же знову повернулися до цієї ідеї, зробивши лише деякі перестановки. Чим нові «масті» краще колишніх?

Звичайно, і зараз багато чого в нашому розкладі умовно. Але відмова від ділення за ознакою електричного заряду і перехід до природних груп часток, а також виділення в особливу «масть» мезонів мають глибокий сенс.

Який – ми зараз побачимо. Але для цього нам доведеться, крім статистичних властивостей частинок, розглянути динамічні, зайнятися систематизацією їх взаємних перетворень. Карти розкладені – пора знайомитися з правилами гри.

Як ми вже знаємо (з минулих частин), стабільними є дев’ять часток. П’ять з них не мають маси спокою – фотон і два нейтрино зі своїми антинейтрино. З речових частинок стійко поводяться електрон, антиелектрон (або позитрон), протон і антипротон. Інші частки, тобто більше ніж дві третини всіх, через якийсь час після свого народження самі собою розвалюються на інші частинки. Іноді відбувається цілий ланцюжок перетворень: справа завжди, зрозуміло, закінчується тим, що залишаються лише стабільні частинки. Ось приклад такого ланцюжка.

Негативна ксі-частинка живе одну мільярдну частку секунди і мимовільно розпадається потім на нейтральну лямбда-частинку і негативний піон. Ламбда в свою чергу через 2,77 секунди після свого народження гине, породжуючи протон і негативний піон. Протон вибуває з подальшої гри в переодягання – він стабільний. Кожен же з двох новоявлених на світ піонів дає негативну мюон і стабільне антинейтрино, витрачаючи на це близько стомільйонної частки секунди. Нарешті, через такий «великий» термін, як дві мільйонних частки секунди, на місці зниклих мюонів з’являється по електрону, нейтрино і антинейтрино. У результаті всіх цих пертурбацій світ поповнився лише стабільними частинками – протоном і шістьма нейтрино.

Природно, постає питання: а звідки ж беруться нестабільні частинки? Вони народжуються при зіткненнях елементарних частинок, у тому числі і стабільних. Більшість нестійких частинок було відкрито за допомогою бомбардування речовини пучками частинок високої енергії в прискорювачах.

Енергія! Це слово дає нам перший ключ до розуміння динамічних властивостей елементарних частинок. Вона зберігається при всіх перетвореннях, тобто сумарна енергія частинок, що беруть участь в реакціях і розпади, залишається завжди постійною. Закон цей потрібно вважати одним з найбільш міцно встановлених в природі.

Навіть самі грубі якісні висновки із закону збереження енергії в додатку до розпадів частинок є дуже цінними – вони відразу різко обмежують можливість перетворень. Скажімо, нерухомий нейтрон не може розпастися з утворенням лямбда-частинки, бо мінімальна енергія останньої перевершує енергію спокою нейтрона. Інакше кажучи, по відношенню до спочиваючих частинок буде справедливо таке правило: ніяка частинка не може в результаті якої-небудь реакції дати в якості одного з продуктів більш важку частинку. Адже згідно теорії відносності Ейнштейна мінімальна енергія тіла (в стані спокою) дорівнює добутку маси тіла на квадрат швидкості світла. Коли частинка рухається, до її енергії спокою додається кінетична енергія.

Однак, таке обмеження все-таки залишається досить рихлим. Воно стає багато краще після кількісного уточнення: «Ймовірність певного розпаду елементарної частинки або якоїсь реакції між частинками дуже круто зростає зі збільшенням перевищення повної енергії початкових частинок над енергією спокою частинок-продуктів».

Ця не зовсім складна фраза означає наступне: коли повна енергія (енергія спокою плюс кінетична енергія) вихідної системи частинок дорівнює енергії спокою системи, яка повинна виникнути в результаті перетворення, то ймовірність перетворення дорівнює нулю.

Якщо ж перетворення вивільняє деяку енергію, яка перетворюється в кінетичну енергію продуктів реакції, то ймовірність перетворення вже стає помітною.

Ось приклад: під час бета-розпаду нейтрон перетворюється на протон, електрон і нейтрино. Нейтрон важить 1838,6 одиниць, протон і електрон в сумі – 1837,1 одиниць. Нейтрино невагоме. Як видно, тут запасу енергії первісної щаблі – нейтрона ледь вистачає на те, щоб створити кінцеві продукти. Надлишок, який іде в кінетичну енергію цих продуктів, зовсім малий. Тому вільний нейтрон живе порівняно довго (близько 12 хвилин), ймовірність бета-розпаду мала.

Інша справа, скажімо, ксі-частинка, схема розпаду якої нам вже знайома. Вона важить 2585 одиниць, а її дочірня система – лямбда плюс піон – всього 2455,2 одиниць, тобто на сто двадцять дев’ять і дві десятих одиниць менше. Різниця в цьому випадку досить відчутна, тому ксі розпадається миттєво. Чим більше перепад між верхів’ям річки та її гирлом, тим швидше річка тече.

Але просте логічне міркування показує, що закони перетворень елементарних частинок не можуть зводитися до сформульованим зараз правилам. Інакше всі важкі частки прагнули б якомога швидше позбутися від гнітючої енергії спокою і перетворитися на швидкі та легкі частинки. У кінцевому рахунку, за кілька миттєвостей весь світ обернувся б на фотони і нейтрино.

Насправді ж цього не відбувається. Ланцюжки послідовних перетворень обриваються не тільки на невагомих частинках, а й на протонах й електронах, антипротонах і позитронах.

Чому ж протон не розпадається далі, скажімо, не переходить у піон плюс фотон? За енергією такий перехід був би дуже надлишковим, тобто, здавалося б, інтенсивним. Або чому виявляється стабільним електрон, адже енергетично йому вигідно перетворитися на частинки без маси спокою? Почнемо з останнього питання, оскільки багато хто з читачів, ймовірно, самі близькі до відповіді на нього.

– Електрон заряджений негативно, скажуть вони, – а фотони і нейтрино нейтральні. Куди ж подінеться заряд, якщо електрон перетвориться на невагомі частинки? Тут здоровий глузд дає той же висновок, що і наука – явище не таке вже часте. Хоча незнищенність електричного заряду нізвідки теоретично не слідує, вона являє собою досвідчений факт, встановлений майже так само непорушно, як неможливість побудови вічного двигуна (тобто закон незнищенності енергії). Грунтуючись на цьому факті, можна дати друге правило «гри» елементарних частинок: «Алгебраїчна сума зарядів вихідної системи повинна дорівнювати сумі алгебри зарядів дочірніх систем».

Однак, це ще не все. Закону збереження заряду зовсім не суперечило б перетворення протона в позитивний піон і фотон. І першому енергетичному правилу не суперечило б теж. І якщо протон виявляється стійким, значить, на гру накладені ще якісь умови. Одна з них була відкрита порівняно недавно, але виявилася настільки важливою, що здається зараз вченим мало не очевидною. Ось ця умова: «Різниця між числом баріонів і числом антибаріонів в якійсь системі частинок залишається незмінною при будь-яких перетвореннях цієї системи».

Як окремий випадок цього закону, виходить наприклад, таке правило: баріон не може перетворитися цілком у небаріонну частинку – він перейде в систему, що обов’язково містить або баріон, або два баріони і антибаріон, або три баріони і два антибаріони і т. д.
Фізики ввели у вжиток термін «баріонне число». Вважається, що для всякого баріону воно дорівнює одиниці, для всякого антибаріону – мінус одиниці, для всякого небаріонну – нулю. За допомогою визначеного таким чином терміна зручно переформулювати наше третє правило як «закон збереження сумарного баріонного числа системи».

Хоча встановлені нами три правила поведінки частинок охоплюють далеко не все, що знає сучасна ядерна фізика, хоча залишилися не обговореними навіть деякі універсальні закони, наприклад закон збереження імпульсу або закон збереження обертального моменту, – ми можемо потрошку починати гру з нашими «картами». Якщо ми будемо неухильно виконувати дані вище три рецепта, у нас вийде вже щось, що нагадує реальну «гру» природи.

Однак нам думається, що читач повинен бути трохи розчарований.
– Де ж та заплутаність властивостей частинок і їх перетворень, про яку говорилося спочатку? – Запитає він. – Всього три правила гри, причому правила дуже ясні. У преферансі карт стільки ж, а закони куди хитріші, але ж за преферанс ніхто ще не отримав Нобелівську премію. Ми змушені підтримати честь елементарних частинок і сказати, що в їх перетвореннях відкриті більш тонкі особливості, ніж ті, про які було розказано. Відкриті вони були при вивченні реакцій за участю баріонів, важчих, ніж нуклони, і каони. Частинки з такими особливостями, – а всього їх знову-таки шістнадцять, рівно половина нашої «колоди», – були названі «дивними» частинками.

Термін цей пристав до них тому, що їх розпад не підкорявся самим, здавалося, елементарним вимогам – вимогам першого правила. Ні, не закон збереження енергії порушувався – це взагалі була б сенсація, а не виконувалося пояснене теоретично співвідношення між часом життя частинки і перевищенням її енергії над енергією спокою, що народжується з її системи.

Дивні частинки живуть значно довше, ніж їм належить. Взяти хоча б ламбду. Її маса майже на вісімдесят одиниць перевершує сумарну масу продуктів її розпаду – протона і піона. Ну, як жити з таким енергетичним надлишком, – його треба негайно скинути, перетворити в рух, адже ні друге, ні третє правило розпаду цьому не перешкоджають! Крутизна перепаду мас при перетворенні ламбди в протонно-піону пару така, що це перетворення повинно відбутися за 10 в мінус 24 ступені секунди. Так заявляє наука. А як на ділі поводиться лямбда?

Самим «нахабним» чином. Вона ухитряється прожити 10 секунд, тобто в сто трильйонів разів довше, ніж передбачає теорія. Така невідповідність, звичайно, не лізе ні в які ворота. І обтяжені нею теоретики назвали разюче життєздатні частинки «дивними». Однак, час фетишизації слів давно канув у вічність, і вчені не могли не розуміти, що «дивною» ризикує виглядати наука, що стає в кут перед об’єктивними фактами природи.

Розгадку вдалося знайти, коли стали розглядати не окремі частинки, а їх сімейства. Ознаки, загальні для всіх частинок одного і того ж дублета або триплета, дали ключ до осмислення «дивацтва».

Почнемо з баріонів. Перше за шкалою зростаючих мас (і, головне, за значенням для структури речовини) сімейство в цій групі – нуклоний дублет, пара нейтронів – протон. Середній заряд дублета дорівнює половині. Таке значення середнього заряду і було визнано нормальним для всього баріонного сімейства.

Однак, лямбда, яка представляє собою синглет, тобто сімейство в одному єдиному, власному обличчі, що не буде з цієї точки зору нормальним баріоном. Вона нейтральна, значить, середній заряд синглет дорівнює нулю. Ми спостерігаємо відхилення від середнього заряду «недивного» дублета протон – нейтрон в негативну сторону на половину одиниці заряду. Можна сказати, що середній заряд лямбди зміщений на мінус одну другу від стандартного значення.

Триплет сигма також має середній заряд, рівний нулю, і про його зміщення потрібно повторити те ж саме, що сказано про ламбда. Дублет ксі, що складається з негативної і нейтральної частинок, має середній заряд мінус половина. Він зміщений по відношенню до норми на мінус одиницю.

Так ось, вчені умовно подвоюють величину зсуву і називають отриману цифру «дивиною». Слово «дивність» тут має вже не такий зміст, як у повсякденному житті. Це точна кількісна міра частинки така ж, як, скажімо, енергія, імпульс, баріонне число і т. д. Значення дивацтва у античастинок таке ж, але протилежно по знаку.

Те, що в терміні «дивина» присутній емоційний відтінок (втім, для фізиків, що день у день займаються дослідженням частинок, цей відтінок зникає і слово «дивність» сприймається ними як слово «швидкість», «індуктивність» і т. д.) говорить про те, що явища природи справляють враження не тільки на розум, але й на почуття вчених.

Навіщо знадобилося введення такої характеристики частинок, як дивина? Виявляється, якщо реакція між частинками йде так, що сумарна дивина системи (сума дивацтв частинок) до реакції дорівнює сумарному дивацтву після неї, то швидкість процесу відповідає сильній, або ядерній взаємодії. Конкретний час життя може бути в цьому випадку знайдено зі звичайних енергетичних міркувань.

Ті ж процеси, де сумарна дивина змінюється в результаті перетворення частинок, протікають лише за законами слабких взаємодій, тобто тут проявляються сили в трильйони разів менше ядерних. Природно, що в таких процесах з’являється зовсім інша шкала часу.

Слабкі взаємодії були відомі, звичайно, до відкриття дивних частинок. Але думка, що баріони – частки типово ядерні, що народжуються лише при сильних процесах, можуть розпадатися за законами слабких процесів, нікому довгий час не приходила в голову. Здавалося неймовірним, що частинка, що з’явилася на світ в результаті сильної взаємодії, «забуває» про своє походження і починає поводитися так, ніби їй знайомі тільки слабкі поля.

Все стало на свої місця після того, як було сформульовано четверте правило перетворень елементарних частинок: «Для сильних взаємодій справедливий закон збереження дивацтва. Якщо взаємодія є слабкою, то дивина може змінюватися».

Таким чином, сталість дивацтва вже не є універсальною властивістю реакцій між частинками, як сталість енергії, заряду і баріонів числа. Тим не менш, четверте правило чітке – це не рецепт типу «немає з чого ходити – ходи з бубни», а кількісна формулювання, що має однозначний сенс. Застереження «якщо …» не створює двозначності, подібно до того, як не приводить до непорозумінь правило багатьох карткових ігор: «класти ту ж масть, що і партнер; якщо немає масті – класти козир».

Розгадавши правило дивацтв, вчені зрозуміли, чому деякі частинки народжуються від сильної взаємодії, а гинуть від слабкої. Щоб це стало ясно також нашому читачеві, ми розберемо конкретний приклад.

Протон, що володіє величезною кінетичною енергією, налітає на інший протон. При цьому народжуються, скажімо, два дивних баріони – сигма-плюс і лямбда. Користуючись наявними в нашому розпорядженні правилами, ми можемо з’ясувати, які ще частинки будуть серед продуктів реакції і що станеться з цими частинками далі. Так як запас енергії ми прийняли необмеженим, «величезним», то слід почати з закону збереження заряду. Він виконується і без додаткових частинок. Баріонне число також зберігається. Було два баріони – і стало два. Дивина ж змінюється – у первісній системи вона дорівнювала нулю, у сигма-плюс і лямбді спільна дивина дорівнює мінус двом.

Для виправлення невідповідності дивацтв, ми можемо додати в число похідних частинок антиксі-нуль. Вона нейтральна, тому з законом збереження зарядів все як і раніше в порядку. Дивина у неї дорівнює плюс двом, так що тепер і четверте правило задовольняється. Однак, додавання антиксі-нуль порушило третє правило перетворень – баріонний заряд похідної системи став дорівнювати одиниці, а у первісної системи він дорівнював двом. Усунути розбіжність можна додаванням нейтрона, у якого баріонне число дорівнює одиниці, а заряд і дивина дорівнюють нулю. Тепер все гаразд, всі правила гри дотримані.

Звертаємо увагу читача на те, що взаємодія наша було типово ядерною, сильною. Три дивних баріони і нейтрон народилися під час порядку 10 в 24 ступені секунди. Тому дивину в процесі народження необхідно зберігати – цього вимагає четвертий закон.

Але, народившись, частки-продукти почали розлітатися в різні боки і навіки відірвалися одне від одного. Якщо справа відбувається у вакуумі, то кожна з частинок не може вже зустрітися з іншою і єдиний можливий для неї процес – це розпад. Але чи можуть щойно народжені дивні баріони розпастися сильним способом, тобто зі збереженням дивацтва? Виявляється, ні.

Справді, ксі по першому і другому правилам може перетворитися на лямбда і піон. Але дивина в цьому випадку зміниться. А бажаючи виконати четверте правило, ми почнемо порушувати перше, друге і третє.

Те ж саме положення виникає для лямбди. Її дивина дорівнює мінус одиниці. За своєю масою лямбда перевершує тільки нуклони. Отже, не стикаючись ні з якою іншою частинкою, мимовільно перетворитися вона ні в що, крім нейтрино або протона, не може (через перший закон механіки частинка не може сама собою зупинитися і передати свою кінетичну енергію виниклій масі). Можуть бути два варіанти:

1. Перетворення в протон і негативний піон і
   2. Перетворення в нейтрон і нейтральний піон.

І той і інший розпади реалізуються в дійсність. Але в обох випадках змінюється дивина системи. З мінус одиниці вона обертається в нуль. Тому сильними такі процеси бути не можуть, і час їх перебігу колосально затягується.

Таке затягування не «примха» частинки, не випадковість. Частинка «із задоволенням» розпалася б миттєво сильним способом, але це просто неможливо зробити – «не придумаєш» відповідних схем розпаду. І частинка змушена існувати аномально довго до тих пір, поки слабкі сили не змінять її дивину.

У групі мезонів теж існують дивні частинки – каони. Нормальний мезон – піон – є членом триплета із середнім зарядом нуль. У каоного ж дублета середній заряд дорівнює плюс половині. Значить, дивина каона дорівнює одиниці. Дивина антикаона, зрозуміло, дорівнює мінус одиниці.

Отже, читач отримав у своє розпорядження опис карт, їх класифікацію та основні правила ходів. Тепер, щоб розігрувати партії, аналогічні процесам, що відбуваються в невидимих глибинах речовини, потрібна тільки практика. Ми пропонуємо спочатку скористатися нашою допомогою. Ми сконструюємо спільно хоча б одну допустиму в природі реакцію перетворення частинок.

Народження антипротонів

Антипротон був вперше виявлений в пучку синхрофазотрона в Берклі (США) восени 1955 року. Видатне відкриття було зроблено під керівництвом Сегре і Чемберлена, що отримали за нього Нобелівську премію. Розігнані до шести мільярдів електроновольт протони бомбардували мішень. Антипротони народжувалися при зіткненні літаючих протонів з протонами ядер мішені.

Ясно, що, крім антипротона, при цьому повинні народжуватися ще якісь частинки – інакше не виконується друге і третє правила. Подивимося, які можуть тут бути варіанти.

Перший варіант. Народжуються три протона і один антипротон. Іноді про таку реакцію кажуть, що народжується пара протон – антипротон, маючи на увазі мовчазно, що є ще два протона, що існують з самого початку. Саме така реакція відбулася в мішені беркліевського прискорювача.

Можна показати математично строго, що при кінетичній енергії прискореного протона в шість мільярдів електроновольт ніяка інша схема, яка призводить до народження антипротона на протонній мішені, здійснюватися не може. Але якщо запас повної енергії початкової системи протон – антипротон досить великий, то можливості розширюються. Зокрема, стає в якійсь мірі вірогідною наступна реакція.

Другий варіант. Разом з антипротонами народжується лямбда. Щоб задовольнити вимогу збереження баріонного числа, додамо дві позитивні сигми. Чого ще не вистачає для повного балансу? Неважко бачити, що бракує позитивного заряду і потрійного позитивного дивацтва. Візьмемо один позитивний і два нейтральних каони, приєднаємо їх до продуктів реакції і таким способом зведемо кінці з кінцями. Читач може переконатися, що всі правила перетворень тепер виконані.

Повертаючись до питання про енергію, зауважимо, що для реалізації останньої схеми перетворень сучасні найбільші прискорювачі вже достатні. Енергія їх пучків досягає 30 мільярдів електроновольт – це рівнозначно масі в шістдесят тисяч одиниць (електронних мас). Тому така реакція то і діло відбувається і в лабораторних експериментах, і в космічних променях. Але її, звичайно, заглушає реакція першого варіанту, що вимагає меншої енергії.

Отже, в уявному хаосі властивостей частинок ніби намічаються риси порядку. Однак тут здобуті лише суто попередні відомості. Всіх законів мікросвіту ніхто поки не знає.

Дивина при сильних процесах зберігається – це встановлено. Але невідомо, чому вона зберігається при цих процесах і чому вона змінюється при слабких взаємодіях. Невідомо і те, який механізм слабких сил.

А чому, наприклад, мюон в 207 разів важче електрона? Взагалі, чому у частинок саме такі маси, а не інші? Чому … Та хіба мало можна задати «чому»!

Можливо, принципово неправильно дошукуватися відповіді на ці питання? Що, якщо вважати відомі нам з досліду властивості частинок аксіомами?

Навряд чи слід так вчинити. Закономірності мікросвіту, якими вони нам постають зараз, занадто складні для постулатів. Людський розум критичний, і він не може задовольнятися такою «аксіомою», як «при слабких взаємодіях дивина іноді змінюється». Вчений хоче вловити не тільки правила гри, але і її сенс.

Автор: В. Тростяников.