Про элементарные частицы. Часть первая.

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.

Продолжение следует.

Автор: В. Тростников.