Веселый рассказ о самой загадочной элементарной частице – мю-мезоне

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Скажите: снятся ли вам сны? Мне сны снятся. И чаще всего кошмарные. Вчера, например, я был на семинаре в одном научно-исследовательском институте, а всю эту ночь я беседовал с человеком из антивещества о проблеме облысения мужчин в антимире. А на прошлой неделе… Позвольте, что же мне снилось на прошлой неделе? Да! На прошлой неделе я присутствовал на собрании элементарных частиц, где обсуждалось поведение мю-мезона. Вы не знаете, что это такое?! Это самая гнусная частица в ядерной физике.

Назвали ее мезоном потому, что ее масса меньше массы ядра водорода, но больше массы электрона, а греческое слово «мезон» как раз и означает «средний». Дали бы мне волю, я бы ее не так назвал!.. Все частицы ведут себя, как им полагается: каждая подчиняется определенным законам и достойно занимает свое место в систематике элементарных частиц. Уж на что есть удивительные частицы, их даже назвали «странными», так и те стараются удерживать себя в рамках приличия, а «странность» их численно измеряют, вроде как величину родинки у человека.

Каждая частица имеет свою собственную массу. И физики объяснили величину массы каждой частицы. Почему, например, ядро водорода — протон — в 1 840 раз тяжелее электрона, а пи-мезон — только в 273? Оказывается, что масса элементарной частицы зависит от ее взаимодействия с другими частицами. Физики это как-то мудрено объясняют, а я понимаю очень просто. Вот представьте, идет густой снег с градом. Каждая снежинка сильно взаимодействует с остальными: слипается с ними и образует хлопья — комья снега довольно большой массы, А градинка скользкая, к ней снежинки не прилипают, или, другими словами, она не взаимодействует со снежинками, и поэтому ее масса получается меньше, чем у комьев снега. Если честно сказать, то и физики то же самое говорят, только употребляют другие слова: вместо «снежинка» или «градинка» говорят «частица» — и ее массу объясняют как результат взаимодействия частицы (снежинки) с полем (падающий снег).

Вот, например, чем объясняется масса протона? Тем, что протон может испытывать ядерное взаимодействие с другими частицами, а электрон такого взаимодействия не испытывает, он как та градинка в потоке снега, поэтому и масса его меньше, чем у протона. А мю-мезон? Его масса в 207 раз больше массы электрона, а взаимодействует он со всеми остальными частицами так же, как и электрон. Креста на нем нет, да и только!

Так вот, проснулся я той ночью от звона колокольчика. Открываю глаза — вижу: большой зал ярусами вверх поднимается, а в нем элементарных частиц видимо-невидимо. В центре большой стол стоит, а на председательском месте частица света — фотон, этакий дряхлый старикашка,— колокольчиком трясет, призывает к порядку. Элементарные частицы шумят, волнуются и занимают места согласно их положению в систематической таблице.

Но если вы думаете, что они выглядят, как люди, то ошибаетесь. Они проста шарики на коротеньких ножках, к которым сверху привинчены спин и магнитный момент. Спин — это такая стрелка, вектор, вокруг него частица вращается, как волчок вокруг своей оси. Частицы носят свой спин только в служебные часы: во время всяких физических экспериментов и собраний. В остальное время их спины хранятся на вешалке. Я сам видел, как они их оттуда получали: чем быстрее вращалась частица, тем длиннее ей выдавали спин. Некоторые частицы, кроме спина, получали еще и магнитный момент. Вообще элементарные частицы любят всякие украшения: одни носят «странность», другие — четность, но это не считается у них предосудительным, и никто не называет друг друга стилягами.

Магнитный момент — тоже вектор, который элементарные частицы навинчивают на спин. Он определяет силу, действующую на частицу в магнитном поле. Магнитное поле похоже на реку. Оно даже изображается как река — силовыми линиями — струями, по которым движутся частицы-лодки. А магнитный момент частицы — это ее лоцман, который находит места, где течение, простите, магнитное поле сильнее. Плывет такая лодка посередине реки, а магнитный момент-лоцман по сторонам озирается. Заметит, что течение сильнее у правого берега, и поворачивает туда лодку.

Я так увлекся разглядыванием спинов и магнитных моментов, что не заметил сначала стоящей в стороне маленькой скамеечки, на которой сидели мю-мезон и электрон. Мю-мезон, большой такой, сидит и нагло ухмыляется, а рядом электрон — точь-в-точь как мезон выглядит: и электрический заряд такой же, и спин, и магнитный момент, только маленький он и плачет, слезы в три ручья текут.

Первым в качестве официального докладчика выступил нейтрон. Он сказал: «Быть элементарной частицей — трудная, но почетная профессия. Ведь мы кирпичики, из которых построен весь мир. Но мы не похожи друг на друга, как строительные кирпичи. Каждый из нас имеет своеобразную и неповторимую внешность. Взгляните только на тяжелые гипероны и легкие грациозные нейтрино! Кто скажет, что электрически нейтральный пи-мезон похож на заряженный протон? А сколько очарования придают частице спин и магнитный момент! Но это еще не все. Мы различаемся не только по внешности, но и по своему поведению, по своим манерам: мы по-разному взаимодействуем друг с другом.

Я горжусь тем, что все наши свойства становятся известны человеку ценой больших усилий, тем, что экспериментальная техника в нашей области достигла фантастической точности. Но мы честные частицы, и я уверен, что протон никогда не станет выдавать себя за пи-мезон или кого-либо еще. Сегодня же мы разбираем позорный случай, когда одна частица надевает на себя личину другой. Я говорю о мю-мезоне. Взгляните на него: он имеет тот же заряд, спин и магнитный момент, что и электрон. Более того, насколько известно, он со всеми частицами и ядрами взаимодействует так же, как и электрон. Но масса его в 207 раз больше. Так пусть он объяснит, откуда у него такая большая масса!»

«Он совсем не я, — всхлипывая, забормотал электрон,— он даже мне и не родственник. Он короткоживущий! Его время жизни — несколько миллионных долей секунды. А потом он умирает и распадается на нейтрино, антинейтрино и электрон по такому же закону, как и нейтрон, что распадается на протон, электрон и антинейтрино».

Нейтрино и антинейтрино загалдели на галерке: «Конечно, так! Очень многие из нас образовались при распаде мю-мезонов!»

Фотон зазвонил колокольчиком, призывая к порядку, и нейтрон продолжал дальше: «Я хочу коротко рассказать биографию мю-мезона. В 1935 году, когда были известны только четыре элементарных частицы — электрон, фотон, протон и нейтрон, — японский физик Юкава предложил новую теорию ядерных сил.

Вы знаете, что ядро представляет собой коммунальную квартиру с коридорной системой, в которой может жить до 250 протонов и нейтронов. Нас всегда удивляло, как нейтроны и особенно протоны могут уживаться в одной квартире, если они ссорятся и разбегаются друг от друга повсюду: на улице, в театре и в кино, — ведь они одноименно заряженные частицы. Сколько было товарищеских судов и разбирательств, но объяснить этого мы не могли.

Юкава доказал, что нейтроны и протоны в ядре удерживаются не электрическими, а особыми ядерными силами, которые имеют обменный характер. Это значит, что сцепление двух протонов в ядре осуществляется благодаря тому, что они обмениваются между собой частицей, которую Юкава назвал мезоном. Мезон удерживает два протона друг около друга подобно тому, как теннисный мячик удерживает двух азартных теннисистов на игровой площадке. Как вы все знаете, Юкава высчитал массу этой частицы и нашел, что она должна в 200—300 раз превышать массу электрона. А три года спустя мю-мезон совершил свой первый подлог. Его обнаружили в космических лучах американские физики Андерсон и Ниддермейер, и он выдал себя за частицу, предсказанную Юкавой. Правда, ученые очень быстро разоблачили этот обман.

Уже через несколько лет они обнаружили, что мю-мезон в отличие от частицы Юкавы совсем не испытывает ядерного взаимодействия. Но в течение 10 лет мю-мезон вел двойную игру, пока в 1947 году Поуэлл не открыл всеми нами уважаемого пи-мезона. Его масса, равная 273 электронным, и сильное ядерное взаимодействие не оставляли сомнения, что это и есть частица, предсказанная Юкавой. Но подлог остается подлогом, и неблаговидный поступок мю-мезона наложил грязное пятно на весь союз элементарных частиц. Я думаю, что мы должны выслушать объяснение самого мю-мезона. Я кончил».

Мю-мезон не спеша поднялся со своей скамеечки, поправил спин, повертел магнитным моментом, разглядывая аудиторию, и заговорил с расстановкой:

«Злобными выпадами нейтрона против меня пренебрегаю. Утверждаю, что он просто сводит личные счеты. Но из уважения к собранию могу ответить и по существу. Докладчик тенденциозно изложил факты в истории моего открытия. Андерсон и Ниддермейер ни разу не спрашивали меня, действительно ли я частица, предсказанная Юкавой. А я молчал просто из скромности. Я по-прежнему утверждаю, что я электрон. А где я взял дополнительную массу — это мое личное дело. Каждый живет, как может. Я ее не крал, и все частицы могут подтвердить, что случаев кражи массы у нас вообще не наблюдалось. Со всеми частицами я испытываю только электромагнитное взаимодействие, и сильнейшие коллективы физиков всех стран подтвердили это».

«Но только в пределах экспериментальных ошибок», — пискнул электрон.

«Ошибки эти крайне малы. В измерениях со мной точность превосходит все, что знала до сих пор физика. Взять, например, опыт, который был проведен в Женеве большой интернациональной группой физиков по определению моего магнитного момента. Точнее, они определяли отношение моего магнитного момента к спину и нашли, что эта величина равна 2,002290, а возможная ошибка не превышает 0,000044. Это очень точно согласуется с теоретическим расчетом в предположении, что я электрон».

Мю-мезон высокомерно оглядел зал и сел. А все частицы как-то испуганно замолчали. Но потом какая-то совсем не знакомая мне частица выкрикнула со своего места: «Это еще не доказательство! Можно иметь такой же магнитный момент, как у электрона, но быть другой частицей…» Она хотела, видно, сказать что-то еще и даже рот открыла для этого, но не успела и распалась на две другие частицы, вылетевшие под углом друг к другу в виде греческой буквы лямбда. Тут я догадался, что это лямбда-частица, которая обычно умирает в очень раннем возрасте, не дожив часто и до десятимиллиардной доли секунды. Все частицы одобрительно зашумели и согласно закивали спинами.

А слово уже взяла альфа-частица. Хотя все знали, что она совсем не элементарная, а состоит из двух нейтронов и двух протонов, но на собрания ее пускали из уважения к возрасту и заслугам в ядерной физике.

«Разумно предположить,— сказала она,— что существует какая-то неизвестная элементарная частица, которая уклоняется от регистрации в качестве члена нашего союза. И возможно, что мю-мезон тайно взаимодействует с нею. Этим и объясняется его лишняя масса».

«Это неправда!» — закричал мю-мезон. Он раздраженно вскочил со своего места и, заглушая альфа-частицу, стал выкрикивать свои оправдания, причем временами его голос срывался на визг: «Эта оскорбительная для меня гипотеза уже высказывалась Швингером, Кобзаревым, Окунем и другими физиками. Было доказано, что в этом случае должно существовать дополнительное взаимодействие между мною и протоном, которое не обнаружено экспериментально и до сих пор. Но я не собираюсь больше выслушивать здесь оскорбления и ухожу!».

Поднялся страшный гвалт. Многие частицы, требовали исключения мю-мезона из союза, другие кричали, что он вообще, наверное, составная частица, а не элементарная. Тем временем мю-мезон дошел до дверей и там распался. А собрание еще долго шумело и приводило доводы за и против существования мю-мезона как элементарной частицы. Но к определенным выводам оно, как и ученые, не пришло. Мю-мезон так и остался самой загадочной частицей.

Автор: Б. Березинский.