Про элементарные частицы. Часть четвертая.

Атом

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.

P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что дальнейшее изучение физики элементарных частиц позволяет прийти к различным научным открытиям и новым полезным изобретениям, таким как скажем, новые квантовые видеорегистраторы, которые в будущем можно будет приобрести на сайте http://www.oversltd.ru, где продают подобные товары.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *