Весела розповідь про найзагадковішу елементарну частинку – мю-мезон
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Скажіть: чи сняться вам сни? Мені сни сняться. І найчастіше кошмарні. Вчора, наприклад, я був на семінарі в одному науково-дослідному інституті, а всю цю ніч я розмовляв з чоловіком із антиречовини про проблему облисіння чоловіків у антисвіті. А минулого тижня… Даруйте, що ж мені снилося минулого тижня? Так! Минулого тижня я був присутній на зборах елементарних частинок, де обговорювалася поведінка мю-мезона. Ви не знаєте, що це таке ?! Це сама мерзотна частинка в ядерній фізиці.
Назвали її мезоном тому, що її маса менше маси ядра водню, але більше маси електрона, а грецьке слово «мезон» якраз і означає «середній». Дали б мені волю, я б її не так назвав!.. Всі частинки поводяться, як їм належить: кожна підпорядковується певним законам і гідно займає своє місце в систематиці елементарних частинок. Вже на що є дивовижні частинки, їх навіть назвали «дивними», так і ті намагаються тримати себе в рамках пристойності, а «дивність» їх чисельно вимірюють, ніби як величину родимки у людини.
Кожна частка має свою власну масу. І фізики пояснили величину маси кожної частки. Чому, наприклад, ядро водню – протон – у 1840 разів важче електрона, а пі-мезон – тільки в 273? Виявляється, що маса елементарної частинки залежить від її взаємодії з іншими частинками. Фізики це якось мудро пояснюють, а я розумію дуже просто. Ось уявіть, йде густий сніг з градом. Кожна сніжинка сильно взаємодіє з іншими: злипається з ними і утворює пластівці – грудки снігу досить великої маси, А градинки слизькі, до неї сніжинки не прилипають, або, іншими словами, вона не взаємодіє зі сніжинками, і тому її маса виходить менше, ніж у грудок снігу. Якщо чесно сказати, то і фізики те ж саме говорять, тільки вживають інші слова: замість «сніжинка» або «градинки» кажуть «частка» – і її масу пояснюють як результат взаємодії частинки (сніжинки) з полем (падаючий сніг).
Ось, наприклад, чим пояснюється маса протона? Тим, що протон може випробовувати ядерну взаємодію з іншими частинками, а електрон такої взаємодії не відчуває, він як та градинки в потоці снігу, тому й маса його менше, ніж у протона. А мю-мезон? Його маса в 207 разів більше маси електрона, а взаємодіє він з усіма іншими частинками так само, як і електрон. Хреста на ньому немає, та й годі!
Так от, прокинувся я тієї ночі від дзвону дзвіночка. Відкриваю очі – бачу: великий зал ярусами вгору піднімається, а в ньому елементарних частинок видимо-невидимо. У центрі великий стіл стоїть, а на місці головуючого частка світла – фотон, такий собі старезний дідуган, – дзвіночком трясе, закликає до порядку. Елементарні частинки шумлять, хвилюються і займають місця згідно їх положенню в систематичній таблиці.
Але якщо ви думаєте, що вони виглядають, як люди, то помиляєтеся. Вони просто кульки на коротеньких ніжках, до яких зверху пригвинчені спін і магнітний момент. Спін – це така стрілка, вектор, навколо нього частинка обертається, як дзига навколо своєї осі. Частинки носять свій спін тільки у службові години: під час всяких фізичних експериментів і зібрань. В інший час їх спіни зберігаються на вішалці. Я сам бачив, як вони їх звідти отримували: чим швидше оберталася частинка, тим довший їй видавали спін. Деякі частинки, крім спіна, отримували ще й магнітний момент. Взагалі елементарні частинки люблять всякі прикраси: одні носять «дивність», інші – парність, але це не вважається у них негожим, і ніхто не називає один одного стилягами.
Магнітний момент – теж вектор, який елементарні частинки нагвинчують на спін. Він визначає силу, що діє на частку в магнітному полі. Магнітне поле схоже на річку. Воно навіть зображується як річка – силовими лініями – струменями, по яких рухаються частинки-човни. А магнітний момент частинки – це її лоцман, який знаходить місця, де течія, вибачте, магнітне поле сильніше. Пливе такий човен посередині річки, а магнітний момент-лоцман по сторонам озирається. Помітить, що течія сильніше у правого берега, і повертає туди човен.
Я так захопився розгляданням спинів і магнітних моментів, що не помітив спочатку стоячу осторонь маленьку лавочку, на якій сиділи мю-мезон та електрон. Мю-мезон, великий такий, сидить і нахабно посміхається, а поруч електрон – так само як мезон виглядає: і електричний заряд такий же, і спін, і магнітний момент, тільки маленький він і плаче, сльози в три струмки течуть.
Першим як офіційний доповідач виступив нейтрон. Він сказав: «Бути елементарною частинкою – важка, але почесна професія. Адже ми цеглинки, з яких побудований весь світ. Але ми не схожі один на одного, як будівельні цеглини. Кожен з нас має своєрідну і неповторну зовнішність. Погляньте тільки на важкі гіперони і легкі граціозні нейтрино! Хто скаже, що електрично нейтральний пі-мезон схожий на заряджений протон? А скільки чарівності надають частинці спін і магнітний момент! Але це ще не все. Ми розрізняємося не тільки по зовнішності, але і по своїй поведінці, за своїми манерами: ми по-різному взаємодіємо один з одним.
Я пишаюся тим, що всі наші властивості стають відомі людині ціною великих зусиль, тим, що експериментальна техніка в нашій області досягла фантастичної точності. Але ми чесні частинки, і я впевнений, що протон ніколи не стане видавати себе за пі-мезон або кого-небудь ще. Сьогодні ж ми розбираємо ганебний випадок, коли одна частинка надягає на себе личину іншої. Я говорю про мю-мезон. Погляньте на нього: він має той же заряд, спін і магнітний момент, що і електрон. Більш того, наскільки відомо, він з усіма частинками і ядрами взаємодіє так само, як і електрон. Але маса його в 207 разів більше. Так нехай він пояснить, звідки у нього така велика маса!»
«Він зовсім не я, – схлипуючи, забурмотів електрон, – він навіть мені і не родич. Він короткоживучий! Його час життя – кілька мільйонних часток секунди. А потім він помирає і розпадається на нейтрино, антинейтрино і електрон по такому ж закону, як і нейтрон, що розпадається на протон, електрон і антинейтрино».
Нейтрино і антинейтрино зашуміли на гальорці: «Звичайно, так! Дуже багато з нас утворилися при розпаді мю-мезонів!»
Фотон задзвонив дзвіночком, закликаючи до порядку, і нейтрон продовжував далі: «Я хочу коротко розповісти біографію мю-мезона. У 1935 році, коли були відомі тільки чотири елементарних частинки – електрон, фотон, протон і нейтрон, – японський фізик Юкава запропонував нову теорію ядерних сил.
Ви знаєте, що ядро являє собою комунальну квартиру з коридорною системою, в якій може жити до 250 протонів і нейтронів. Нас завжди дивувало, як нейтрони і особливо протони можуть уживатися в одній квартирі, якщо вони сваряться і розбігаються один від одного всюди: на вулиці, в театрі і в кіно, – адже вони однойменно заряджені частинки. Скільки було товариських судів і розглядів, але пояснити цього ми не могли.
Юкава довів, що нейтрони і протони в ядрі утримуються не електричними, а особливими ядерними силами, які мають обмінний характер. Це значить, що зчеплення двох протонів в ядрі здійснюється завдяки тому, що вони обмінюються між собою часткою, яку Юкава назвав мезоном. Мезон утримує два протони один біля одного подібно до того, як тенісний м’ячик утримує двох азартних тенісистів на ігровому майданчику. Як ви всі знаєте, Юкава вирахував масу цієї частинки і знайшов, що вона повинна в 200-300 разів перевищувати масу електрона. А три роки потому мю-мезон здійснив свій перший обман. Його виявили в космічних променях американські фізики Андерсон та Ніддермейер, і він видав себе за частинку, передбачену Юкавою. Правда, вчені дуже швидко викрили цей обман.
Вже через кілька років вони виявили, що мю-мезон на відміну від частки Юкави зовсім не відчуває ядерної взаємодії. Але протягом 10 років мю-мезон вів подвійну гру, поки в 1947 році Поуелл не відкрив всіма нами шанованого пі-мезона. Його маса, рівна 273 електронних, і сильна ядерна взаємодія не залишали сумніву, що це і є частинка, передбачена Юкавою. Але фальсифікація залишається фальсифікацією, і непорядний вчинок мю-мезона наклав брудну пляму на весь союз елементарних частинок. Я думаю, що ми повинні вислухати пояснення самого мю-мезона. Я скінчив».
Мю-мезон не поспішаючи піднявся зі своєї лавочки, поправив спін, повертів магнітним моментом, роздивляючись аудиторію, і заговорив з розстановкою:
«Злісними випадами нейтрона проти мене нехтую. Стверджую, що він просто зводить особисті рахунки. Але з поваги до зборів можу відповісти і по суті. Доповідач тенденційно виклав факти в історії мого відкриття. Андерсон і Ніддермейер ні разу не питали мене, чи дійсно я частинка, передбачена Юкавою. А я мовчав просто зі скромності. Я як і раніше стверджую, що я електрон. А де я взяв додаткову масу – це моя особиста справа. Кожен живе, як може. Я її не крав, і всі частки можуть підтвердити, що випадків крадіжки маси у нас взагалі не спостерігалося. З усіма частинками я відчуваю тільки електромагнітну взаємодію, і найсильніші колективи фізиків всіх країн підтвердили це».
«Але тільки в межах експериментальних помилок», – пискнув електрон.
«Помилки ці вкрай малі. У вимірах зі мною точність перевершує все, що знала досі фізика. Взяти, наприклад, дослід, який був проведений в Женеві великою інтернаціональною групою фізиків з визначення мого магнітного моменту. Точніше, вони визначали відношення мого магнітного моменту до спіну і знайшли, що ця величина дорівнює 2,002290, а можлива помилка не перевищує 0,000044. Це дуже точно узгоджується з теоретичним розрахунком в припущенні, що я електрон».
Мю-мезон зарозуміло оглянув залу і сів. А всі частинки якось злякано замовкли. Але потім якась зовсім незнайома мені частинка викрикнула зі свого місця: «Це ще не доказ! Можна мати такий же магнітний момент, як у електрона, але бути іншою частинкою…» Вона хотіла, видно, сказати щось ще й навіть рот відкрила для цього, але не встигла й розпалася на дві інші частинки, що вилетіли під кутом один до одного у вигляді грецької букви лямбда. Тут я здогадався, що це лямбда-частинка, яка зазвичай помирає в дуже ранньому віці, не доживши часто і до десятимільярдної частки секунди. Всі частинки схвально зашуміли і згідно закивали спінами.
А слово вже взяла альфа-частинка. Хоча всі знали, що вона зовсім не елементарна, а складається з двох нейтронів і двох протонів, але на зібрання її пускали з поваги до віку та заслугам в ядерній фізиці.
«Розумно припустити, – сказала вона, – що існує якась невідома елементарна частинка, яка ухиляється від реєстрації як члена нашої спілки. І можливо, що мю-мезон таємно взаємодіє з нею. Цим і пояснюється його зайва маса».
«Це неправда!» – Закричав мю-мезон. Він роздратовано схопився зі свого місця і, заглушаючи альфа-частинку, став викрикувати свої виправдання, причому часами його голос зривався на вереск: «Ця образлива для мене гіпотеза вже висловлювалася Швінгером, Кобзаревим, Окунем та іншими фізиками. Було доведено, що в цьому випадку має існувати додаткова взаємодія між мною і протоном, яка не виявлена експериментально і до сих пір. Але я не збираюся більше вислуховувати тут образи і йду!».
Зчинився страшенний гвалт. Багато частинок, вимагали виключення мю-мезона з союзу, інші кричали, що він взагалі, напевно, складова частинка, а не елементарна. Тим часом мю-мезон дійшов до дверей і там розпався. А збори ще довго шуміли і приводили докази за і проти існування мю-мезона як елементарної частинки. Але до певних висновків вони, як і вчені, не прийшли. Мю-мезон так і залишився найзагадковішою частинкою.
Автор: Б. Березинський.