Про элементарные частицы. Часть третья.

Как мы уже знаем (из прошлых частей), стабильными являются девять частиц. Пять из них не имеют массы покоя — фотон и два нейтрино со своими антинейтрино. Из вещественных частиц устойчиво ведут себя электрон, антиэлектрон (или позитрон), протон и антипротон. Остальные частицы, то есть больше чем две трети всех, через какое-то время после своего рождения сами собой разваливаются на другие частицы. Иногда происходит целая цепочка превращений: дело всегда, разумеется, кончается тем, что остаются лишь стабильные частицы. Вот пример такой цепочки.

Отрицательная кси-частица живет одну миллиардную долю секунды и самопроизвольно распадается затем на нейтральную ламбда-частицу и отрицательный пион. Ламбда в свою очередь через 2,77 секунды после своего рождения гибнет, порождая протон и отрицательный пион. Протон выбывает из дальнейшей игры в переодевания — он стабилен. Каждый же из двух появившихся на свет пионов дает отрицательный мюон и стабильное антинейтрино, затрачивая на это около стомиллионной доли секунды. Наконец, через такой «большой» срок, как две миллионных доли секунды, на месте исчезнувших мюонов появляется по электрону, нейтрино и антинейтрино. В результате всех этих пертурбаций мир пополнился лишь стабильными частицами — протоном и шестью нейтрино.

Естественно, встает вопрос: а откуда же берутся нестабильные частицы? Они рождаются при столкновениях элементарных частиц, в том числе и стабильных. Большинство неустойчивых частиц было открыто с помощью бомбардировки вещества пучками частиц высокой энергии в ускорителях.

Энергия! Это слово дает нам первый ключ к пониманию динамических свойств элементарных частиц. Она сохраняется при всех превращениях, то есть суммарная энергия частиц, участвующих в реакциях и распадах, остается всегда постоянной. Закон этот нужно считать одним из наиболее прочно установленных в природе.

Даже самые грубые качественные выводы из закона сохранения энергии в приложении к распадам частиц являются весьма ценными — они сразу резко ограничивают возможность превращений. Скажем, неподвижный нейтрон не может распасться с образованием ламбда-частицы, ибо минимальная энергия последней превосходит энергию покоя нейтрона. Иначе говоря, по отношению к покоящимся частицам будет справедливо такое правило: никакая частица не может в результате какой-либо реакции дать в качестве одного из продуктов более тяжелую частицу. Ведь согласно теории относительности Эйнштейна минимальная энергия тела (в состоянии покоя) равна произведению массы тела на квадрат скорости света. Когда частица движется, к ее энергии покоя прибавляется кинетическая энергия.

Однако, такое ограничение все-таки остается достаточно рыхлым. Оно становится много лучше после количественного уточнения: «Вероятность определенного распада элементарной частицы или какой-то реакции между частицами очень круто возрастает с увеличением превышения полной энергии исходных частиц над энергией покоя частиц-продуктов».

Эта не совсем складная фраза означает следующее: когда полная энергия (энергия покоя плюс кинетическая энергия) исходной системы частиц равна энергии покоя системы, которая должна возникнуть в результате превращения, то вероятность превращения равна нулю.

Если же превращение высвобождает некоторую энергию, которая превращается в кинетическую энергию продуктов реакции, то вероятность превращения уже становится заметной.

Вот пример: во время бета-распада нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино. Нейтрон весит 1838,6 единиц, протон и электрон в сумме — 1837,1 единиц. Нейтрино невесомо. Как видно, здесь запаса энергии первоначальной ступени — нейтрона едва хватает на то, чтобы создать конечные продукты. Излишек, уходящий в кинетическую энергию этих продуктов, совсем мал. Поэтому свободный нейтрон живет сравнительно долго (около 12 минут), вероятность бета-распада мала.

Другое дело, скажем, кси-частица, схема распада которой нам уже знакома. Она весит 2585 единиц, а ее дочерняя система — ламбда плюс пион — всего 2455,2 единиц, то есть на сто двадцать девять и две десятых единиц меньше. Разница в этом случае весьма ощутима, поэтому кси распадается мгновенно. Чем больше перепад между верховьем реки и ее устьем, тем быстрее река течет.

Но простое логическое рассуждение показывает, что законы превращений элементарных частиц не могут сводиться к сформулированным сейчас правилам. Иначе все тяжелые частицы стремились бы как можно скорее избавиться от гнетущей энергии покоя и превратиться в быстролетные легкие частицы. В конечном счете, за несколько мгновений весь мир обратился бы в фотоны и нейтрино.

На самом же деле этого не происходит. Цепочки последовательных превращений обрываются не только на невесомых частицах, но и на протонах и электронах, антипротонах и позитронах.

Почему же протон не распадается дальше, скажем, не переходит в пион плюс фотон? По энергии такой переход был бы очень избыточным, то есть, казалось бы, интенсивным. Или почему оказывается стабильным электрон, ведь энергетически ему выгодно превратиться в частицы без массы покоя? Начнем с последнего вопроса, так как многие из читателей, вероятно, сами близки к ответу на него.

— Электрон заряжен отрицательно, скажут они, — а фотоны и нейтрино нейтральны. Куда же денется заряд, если электрон превратится в невесомые частицы? Здесь здравый смысл дает тот же вывод, что и наука — явление не такое уж частое. Хотя неуничтожимость электрического заряда ниоткуда теоретически не следует, она представляет собой опытный факт, установленный почти так же незыблемо, как невозможность построения вечного двигателя (то есть закон неуничтожимости энергии). Основываясь на этом факте, можно дать второе правило «игры» элементарных частиц: «Алгебраическая сумма зарядов исходной системы должна быть равна алгебраической сумме зарядов дочерной системы».

Однако, это еще не все. Закону сохранения заряда вовсе не противоречило бы превращение протона в положительный пион и фотон. И первому энергетическому правилу не противоречило бы тоже. И коль протон оказывается устойчивым, значит, на игру наложены еще какие-то условия. Одно из них было открыто сравнительно недавно, но оказалось настолько важным, что кажется сейчас ученым чуть ли не очевидным. Вот это условие: «Разность между числом барионов и числом антибарионов в какой-то системе частиц остается неизменной при любых превращениях этой системы».

Как частный случай этого закона, получается например, такое правило: барион не может превратиться целиком в небарионные частицы — он перейдет в систему, обязательно содержащую либо барион, либо два бариона и антибарион, либо три бариона и два антибариона и т. д.

Физики ввели в употребление термин «барионное число». Считается, что для всякого бариона оно равно единице, для всякого антибариона — минус единице, для всякого небариона — нулю. С помощью определенного таким образом термина удобно переформулировать наше третье правило как «закон сохранения суммарного барионного числа системы».

Хотя установленные нами три правила поведения частиц охватывают далеко не все, что знает современная ядерная физика, хотя остались не обсужденными даже некоторые универсальные законы, например закон сохранения импульса или закон сохранения вращательного момента, — мы можем понемножку начинать игру с нашими «картами». Если мы будем неукоснительно выполнять данные выше три рецепта, у нас получится уже что-то напоминающее реальную «игру» природы.

Продолжение следует.

Автор: В. Тростников.