Про элементарные частицы. Часть вторая.

атом

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.

Но об этом уже читайте в нашей следующей статье.

Автор: В. Тростников.

P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что для изобретения приборов, которые смогли бы с еще большей точностью поведать нам об элементарных частицах нужны помимо всего прочего очень сложные чертежи. А разрабатывать и рисовать чертежи – большой труд, требующий немалого искусства. Хотя, здесь можно заказать уже готовые чертежи к различным полезным вещам.

Добавить комментарий

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