Про елементарні частинки. Частина четверта.
Однак нам думається, що читач повинен бути трохи розчарований.
– Де ж та заплутаність властивостей частинок і їх перетворень, про яку говорилося спочатку? – Запитає він. – Всього три правила гри, причому правила дуже ясні. У преферансі карт стільки ж, а закони куди хитріші, але ж за преферанс ніхто ще не отримав Нобелівську премію. Ми змушені підтримати честь елементарних частинок і сказати, що в їх перетвореннях відкриті більш тонкі особливості, ніж ті, про які було розказано. Відкриті вони були при вивченні реакцій за участю баріонів, важчих, ніж нуклони, і каони. Частинки з такими особливостями, – а всього їх знову-таки шістнадцять, рівно половина нашої «колоди», – були названі «дивними» частинками.
Термін цей пристав до них тому, що їх розпад не підкорявся самим, здавалося, елементарним вимогам – вимогам першого правила. Ні, не закон збереження енергії порушувався – це взагалі була б сенсація, а не виконувалося пояснене теоретично співвідношення між часом життя частинки і перевищенням її енергії над енергією спокою, що народжується з її системи.
Дивні частинки живуть значно довше, ніж їм належить. Взяти хоча б ламбду. Її маса майже на вісімдесят одиниць перевершує сумарну масу продуктів її розпаду – протона і піона. Ну, як жити з таким енергетичним надлишком, – його треба негайно скинути, перетворити в рух, адже ні друге, ні третє правило розпаду цьому не перешкоджають! Крутизна перепаду мас при перетворенні ламбди в протонно-піону пару така, що це перетворення повинно відбутися за 10 в мінус 24 ступені секунди. Так заявляє наука. А як на ділі поводиться лямбда?
Самим «нахабним» чином. Вона ухитряється прожити 10 секунд, тобто в сто трильйонів разів довше, ніж передбачає теорія. Така невідповідність, звичайно, не лізе ні в які ворота. І обтяжені нею теоретики назвали разюче життєздатні частинки «дивними». Однак, час фетишизації слів давно канув у вічність, і вчені не могли не розуміти, що «дивною» ризикує виглядати наука, що стає в кут перед об’єктивними фактами природи.
Розгадку вдалося знайти, коли стали розглядати не окремі частинки, а їх сімейства. Ознаки, загальні для всіх частинок одного і того ж дублета або триплета, дали ключ до осмислення «дивацтва».
Почнемо з баріонів. Перше за шкалою зростаючих мас (і, головне, за значенням для структури речовини) сімейство в цій групі – нуклоний дублет, пара нейтронів – протон. Середній заряд дублета дорівнює половині. Таке значення середнього заряду і було визнано нормальним для всього баріонного сімейства.
Однак, лямбда, яка представляє собою синглет, тобто сімейство в одному єдиному, власному обличчі, що не буде з цієї точки зору нормальним баріоном. Вона нейтральна, значить, середній заряд синглет дорівнює нулю. Ми спостерігаємо відхилення від середнього заряду «недивного» дублета протон – нейтрон в негативну сторону на половину одиниці заряду. Можна сказати, що середній заряд лямбди зміщений на мінус одну другу від стандартного значення.
Триплет сигма також має середній заряд, рівний нулю, і про його зміщення потрібно повторити те ж саме, що сказано про ламбда. Дублет ксі, що складається з негативної і нейтральної частинок, має середній заряд мінус половина. Він зміщений по відношенню до норми на мінус одиницю.
Так ось, вчені умовно подвоюють величину зсуву і називають отриману цифру «дивиною». Слово «дивність» тут має вже не такий зміст, як у повсякденному житті. Це точна кількісна міра частинки така ж, як, скажімо, енергія, імпульс, баріонне число і т. д. Значення дивацтва у античастинок таке ж, але протилежно по знаку.
Те, що в терміні «дивина» присутній емоційний відтінок (втім, для фізиків, що день у день займаються дослідженням частинок, цей відтінок зникає і слово «дивність» сприймається ними як слово «швидкість», «індуктивність» і т. д.) говорить про те, що явища природи справляють враження не тільки на розум, але й на почуття вчених.
Навіщо знадобилося введення такої характеристики частинок, як дивина? Виявляється, якщо реакція між частинками йде так, що сумарна дивина системи (сума дивацтв частинок) до реакції дорівнює сумарному дивацтву після неї, то швидкість процесу відповідає сильній, або ядерній взаємодії. Конкретний час життя може бути в цьому випадку знайдено зі звичайних енергетичних міркувань.
Ті ж процеси, де сумарна дивина змінюється в результаті перетворення частинок, протікають лише за законами слабких взаємодій, тобто тут проявляються сили в трильйони разів менше ядерних. Природно, що в таких процесах з’являється зовсім інша шкала часу.
Слабкі взаємодії були відомі, звичайно, до відкриття дивних частинок. Але думка, що баріони – частки типово ядерні, що народжуються лише при сильних процесах, можуть розпадатися за законами слабких процесів, нікому довгий час не приходила в голову. Здавалося неймовірним, що частинка, що з’явилася на світ в результаті сильної взаємодії, «забуває» про своє походження і починає поводитися так, ніби їй знайомі тільки слабкі поля.
Все стало на свої місця після того, як було сформульовано четверте правило перетворень елементарних частинок: «Для сильних взаємодій справедливий закон збереження дивацтва. Якщо взаємодія є слабкою, то дивина може змінюватися».
Таким чином, сталість дивацтва вже не є універсальною властивістю реакцій між частинками, як сталість енергії, заряду і баріонів числа. Тим не менш, четверте правило чітке – це не рецепт типу «немає з чого ходити – ходи з бубни», а кількісна формулювання, що має однозначний сенс. Застереження «якщо …» не створює двозначності, подібно до того, як не приводить до непорозумінь правило багатьох карткових ігор: «класти ту ж масть, що і партнер; якщо немає масті – класти козир».
Розгадавши правило дивацтв, вчені зрозуміли, чому деякі частинки народжуються від сильної взаємодії, а гинуть від слабкої. Щоб це стало ясно також нашому читачеві, ми розберемо конкретний приклад.
Протон, що володіє величезною кінетичною енергією, налітає на інший протон. При цьому народжуються, скажімо, два дивних баріони – сигма-плюс і лямбда. Користуючись наявними в нашому розпорядженні правилами, ми можемо з’ясувати, які ще частинки будуть серед продуктів реакції і що станеться з цими частинками далі. Так як запас енергії ми прийняли необмеженим, «величезним», то слід почати з закону збереження заряду. Він виконується і без додаткових частинок. Баріонне число також зберігається. Було два баріони – і стало два. Дивина ж змінюється – у первісній системи вона дорівнювала нулю, у сигма-плюс і лямбді спільна дивина дорівнює мінус двом.
Для виправлення невідповідності дивацтв, ми можемо додати в число похідних частинок антиксі-нуль. Вона нейтральна, тому з законом збереження зарядів все як і раніше в порядку. Дивина у неї дорівнює плюс двом, так що тепер і четверте правило задовольняється. Однак, додавання антиксі-нуль порушило третє правило перетворень – баріонний заряд похідної системи став дорівнювати одиниці, а у первісної системи він дорівнював двом. Усунути розбіжність можна додаванням нейтрона, у якого баріонне число дорівнює одиниці, а заряд і дивина дорівнюють нулю. Тепер все гаразд, всі правила гри дотримані.
Звертаємо увагу читача на те, що взаємодія наша було типово ядерною, сильною. Три дивних баріони і нейтрон народилися під час порядку 10 в 24 ступені секунди. Тому дивину в процесі народження необхідно зберігати – цього вимагає четвертий закон.
Але, народившись, частки-продукти почали розлітатися в різні боки і навіки відірвалися одне від одного. Якщо справа відбувається у вакуумі, то кожна з частинок не може вже зустрітися з іншою і єдиний можливий для неї процес – це розпад. Але чи можуть щойно народжені дивні баріони розпастися сильним способом, тобто зі збереженням дивацтва? Виявляється, ні.
Справді, ксі по першому і другому правилам може перетворитися на лямбда і піон. Але дивина в цьому випадку зміниться. А бажаючи виконати четверте правило, ми почнемо порушувати перше, друге і третє.
Те ж саме положення виникає для лямбди. Її дивина дорівнює мінус одиниці. За своєю масою лямбда перевершує тільки нуклони. Отже, не стикаючись ні з якою іншою частинкою, мимовільно перетворитися вона ні в що, крім нейтрино або протона, не може (через перший закон механіки частинка не може сама собою зупинитися і передати свою кінетичну енергію виниклій масі). Можуть бути два варіанти:
1. Перетворення в протон і негативний піон і
2. Перетворення в нейтрон і нейтральний піон.
І той і інший розпади реалізуються в дійсність. Але в обох випадках змінюється дивина системи. З мінус одиниці вона обертається в нуль. Тому сильними такі процеси бути не можуть, і час їх перебігу колосально затягується.
Таке затягування не «примха» частинки, не випадковість. Частинка «із задоволенням» розпалася б миттєво сильним способом, але це просто неможливо зробити – «не придумаєш» відповідних схем розпаду. І частинка змушена існувати аномально довго до тих пір, поки слабкі сили не змінять її дивину.
У групі мезонів теж існують дивні частинки – каони. Нормальний мезон – піон – є членом триплета із середнім зарядом нуль. У каоного ж дублета середній заряд дорівнює плюс половині. Значить, дивина каона дорівнює одиниці. Дивина антикаона, зрозуміло, дорівнює мінус одиниці.
Отже, читач отримав у своє розпорядження опис карт, їх класифікацію та основні правила ходів. Тепер, щоб розігрувати партії, аналогічні процесам, що відбуваються в невидимих глибинах речовини, потрібна тільки практика. Ми пропонуємо спочатку скористатися нашою допомогою. Ми сконструюємо спільно хоча б одну допустиму в природі реакцію перетворення частинок.
НАРОДЖЕННЯ АНТИПРОТОНІВ
Антипротон був вперше виявлений в пучку синхрофазотрона в Берклі (США) восени 1955 року. Видатне відкриття було зроблено під керівництвом Сегре і Чемберлена, що отримали за нього Нобелівську премію. Розігнані до шести мільярдів електроновольт протони бомбардували мішень. Антипротони народжувалися при зіткненні літаючих протонів з протонами ядер мішені.
Ясно, що, крім антипротона, при цьому повинні народжуватися ще якісь частинки – інакше не виконується друге і третє правила. Подивимося, які можуть тут бути варіанти.
Перший варіант. Народжуються три протона і один антипротон. Іноді про таку реакцію кажуть, що народжується пара протон – антипротон, маючи на увазі мовчазно, що є ще два протона, що існують з самого початку. Саме така реакція відбулася в мішені беркліевського прискорювача.
Можна показати математично строго, що при кінетичній енергії прискореного протона в шість мільярдів електроновольт ніяка інша схема, яка призводить до народження антипротона на протонній мішені, здійснюватися не може. Але якщо запас повної енергії початкової системи протон – антипротон досить великий, то можливості розширюються. Зокрема, стає в якійсь мірі вірогідною наступна реакція.
Другий варіант. Разом з антипротонами народжується лямбда. Щоб задовольнити вимогу збереження баріонного числа, додамо дві позитивні сигми. Чого ще не вистачає для повного балансу? Неважко бачити, що бракує позитивного заряду і потрійного позитивного дивацтва. Візьмемо один позитивний і два нейтральних каони, приєднаємо їх до продуктів реакції і таким способом зведемо кінці з кінцями. Читач може переконатися, що всі правила перетворень тепер виконані.
Повертаючись до питання про енергію, зауважимо, що для реалізації останньої схеми перетворень сучасні найбільші прискорювачі вже достатні. Енергія їх пучків досягає 30 мільярдів електроновольт – це рівнозначно масі в шістдесят тисяч одиниць (електронних мас). Тому така реакція то і діло відбувається і в лабораторних експериментах, і в космічних променях. Але її, звичайно, заглушає реакція першого варіанту, що вимагає меншої енергії.
Отже, в уявному хаосі властивостей частинок ніби намічаються риси порядку. Однак тут здобуті лише суто попередні відомості. Всіх законів мікросвіту ніхто поки не знає.
Дивина при сильних процесах зберігається – це встановлено. Але невідомо, чому вона зберігається при цих процесах і чому вона змінюється при слабких взаємодіях. Невідомо і те, який механізм слабких сил.
А чому, наприклад, мюон в 207 разів важче електрона? Взагалі, чому у частинок саме такі маси, а не інші? Чому … Та хіба мало можна задати «чому»!
Можливо, принципово неправильно дошукуватися відповіді на ці питання? Що, якщо вважати відомі нам з досліду властивості частинок аксіомами?
Навряд чи слід так вчинити. Закономірності мікросвіту, якими вони нам постають зараз, занадто складні для постулатів. Людський розум критичний, і він не може задовольнятися такою «аксіомою», як «при слабких взаємодіях дивина іноді змінюється». Вчений хоче вловити не тільки правила гри, але і її сенс.
Автор: В. Тростяников.