Про елементарні частинки. Частина друга.
Почнемо своє конкретне знайомство з мешканцями мікросвіту, загальне планування якого ми побіжно оглянули в минулій статті, якраз з цих двох одиночних частинок. Перша з них була передбачена ще Ньютоном – це квант світла, або фотон. Він не має маси спокою, рухається завжди зі швидкістю С, одночасно обертаючись, електрично нейтральний, стабільний.
Друга з непарних частинок – нейтральний піон. Він був виявлений в 1950 році і вступив в сімейство відкритих за три роки до цього заряджених піонів. Нейтральний піон, званий ще пі-нуль мезоном, має надзвичайно малий час життя – він розпадається сам собою на інші частинки за 10 в мінус 16 ступені секунди.
Тепер необхідно попередити можливі непорозуміння в питанні про розпади елементарних частинок. Нейтральний піон розпадається на два фотони, але це зовсім не означає, що він складається з двох фотонів. Піон є піон – елементарна частинка. Він не розкладається на частини. Розпад його на два фотони означає перетворення в щось інше, подібне перетворенню гусениці в абсолютно новий організм – в метелика. Всюди надалі ми рекомендуємо читачеві мислити про перетворення в мікросвіті так: одна елементарна частинка зникає і на її місці з’являється інша елементарна частинка (або декілька частинок).
Нейтральний піон зручно розглядати разом з його побратимами – зарядженими піонами. Тоді ці частинки утворюють трійку – триплет. Піони так об’єднуються не просто для полегшення класифікації частинок. Маси піонів дуже близькі один до одного: заряджені мають масу 273,2 одиниць, а нейтральний тільки трохи легше, у нього маса становить 264,2 одиниці.
Так як позитивний і негативний піони є античастинками один для одного, а нейтральний піон як би сам собі служить античастинкою, ми можемо сказати, що піоний триплет і його антитриплет збігаються. Словом, ми маємо право дещо змінити останній розклад і покласти поруч з нейтральним піоном ще дві карти – позитивний і негативний піони. В результаті у нас в центрі будуть знаходитися фотон і піоний триплет; в лівій (частинки) і в правій (античастинки) половинах залишиться по чотирнадцять карт.
Фотон і піоний триплет мають найважливішу схожість – вона полягає не тільки в їх центральній позиції в нашому розкладі. І той, і інший, відповідальні за сили, панівні між частинками.
Сила – одна з основ всієї фізики. Сили люди розуміли і вивчали з незапам’ятних часів; однак лише після Ньютона цей термін набув точний зміст і ліг у фундамент науки про матерію. Протягом останніх трьохсот років фізики билися над тим, щоб отримати не тільки чітке визначення поняття «сила», а й пояснити природу сил, що виявляються в навколишньому світі.
Для космічних процесів основну роль грає сила тяжіння або гравітації. Вона була відкрита Ньютоном в 1666 році і піддалася вичерпному теоретичному аналізу в рамках загальної теорії відносності Ейнштейна (1916 рік).
Нас, однак, цікавить не космос, а його протилежність – світ незначних відстаней. Там панують три типи сил:
1. Електромагнітні сили. У мікросвіті вони призводять до утворення атомів і молекул.
2. Ядерні сили. Вони названі так тому, що без них не існували б атомні ядра. Однаково заряджені протони через взаємне відштовхування не могли б триматися разом в мізерно малій крапельці ядра. Ядерні сили діють між протонами і нейтронами – ядерними частками – і не залежать від електричного заряду цих частинок. Таким чином, ядерні сили беруть на себе функцію формування вже не атомів, а ще більш дрібних і більш міцних структурних одиниць речовини. Це – сили тяжіння. Вони в сто з гаком разів сильніше електромагнітних.
3. Слабкі сили. Назва лінгвістично не дуже вдала, але вона склалася історично. Ці сили викликають деякі найцікавіші і поки таємничі перетворення елементарних частинок – перетворення, які не можуть викликатися першими двома типами сил. Назва «слабкі» пішла тому, що ці сили в трильйони разів слабкіше ядерних. Відповідно цьому «слабкі процеси», що є наслідком слабких сил, відбуваються аномально повільно.
Відкладемо розмову про третій тип сил на самий кінець і змалюємо коротенько те спільне, що ріднить електромагнітні і ядерні сили.
За сучасними поглядами, тяжіння між двома різнойменними зарядами і відштовхування між однойменними зобов’язані своїм існуванням безперервному перекиданню цими зарядами фотонів. Таке перекидання можна представити як позмінне випромінювання і поглинання фотонів кожним із зарядів. Ці заряди, таким чином, виявляються пов’язаними подібно до того, як пов’язані два жонглера, які швидко жонглюють предметами.
Така теорія обмінного походження електричної взаємодії виявилася досить вдалою. Відповідний математичний апарат доведений в даний час до ступеня високої досконалості і не тільки здатний пояснити відомі феномени, але і робить точні передбачення невідкритих явищ – передбачення, що досі незмінно підтверджує дослід.
Абсолютно так само можна пояснити природу ядерних сил – і вони виявляються обмінними. Тільки роль «м’яча», яким перекидаються притягнені один до одного нуклони, грає не фотон, а піон. Якщо цей піон, скажімо, позитивний, то справа відбувається так: протон випромінює його, втрачає електричний заряд і перетворюється в нейтрон. Потім нейтрон поглинає «чужий» позитивний піон і знову стає протоном.
Ось яка глибока аналогія існує між фотоном і піонами! Перший виявився причиною сил, що зв’язують ядро і електронну оболонку атома в стійке утворення, другим потрібно приносити подяку за те, що існують не розкладені атомні ядра. І фотон і піон – кванти, окремі порції енергії полів, але різних – відповідно електромагнітного та ядерного. Після встановлення цього факту у нас стало більше підстав дивитися із задоволенням на фотон і піоний триплет, що лежать поруч в середині нашого розкладу частинок.
Тепер потрібно розібратися якось в інших двадцяти восьми частинках, що лежать поки двома групами по чотирнадцять штук. У кожній групі «змішалися в купу коні, люди», і наводити в них порядок слід, використовуючи принцип «від відомого до невідомого».
Нам відомо, що піони утворюють триплет. Чи немає і інших таких сімейств серед елементарних частинок? Є. Одне з них дуже близько до сімейства піонів за масою частинок. Це каони, що складають дублет і антидублет. Позитивний каонів дублет має масу в 966,5 одиниць, нейтральний на півтори одиниці легше. Антидублет складається з від’ємного каона і особливого нейтрального, який, хоча має ту ж масу, що і дублетний нейтральний каон, є античастинкою останнього, тобто анігілює при взаємодії з ним.
Каони схожі на піони не тільки по масі, але і по властивості як завгодно щільно набиватися в просторі (із всіх інших частинок такою властивістю володіє тільки фотон). До того ж серед продуктів розпаду каонів майже завжди містяться піони. Тому каони і піони об’єднуються в одну групу – мезонів.
Негайно відобразимо цю класифікацію в нашому розкладі карт. У ще не розібраних купках залишиться вже по 12 частинок. Поруч з піонами ляжуть каонів дублет і його антидублет. Група мезонів, що складається з семи частинок, більше поповнюватися не буде. Тепер спробуємо навести порядок в групі важких частинок, баріонів.
Там справа йде простіше. Поділ баріонів на сімейства близьких за масою частинок, напрошується сам собою, такий:
1. Дублет з двох частинок: з масою 1836,1 (протон) і 1838,6 (нейтрон).
2. Синглет (одиночка) – одна нейтральна частинка з масою 2182 (лямбда).
3. Триплет з позитивною частинкою з масою 2325, негативною з масою 2341 і нейтральною з масою 2324 (всі три названі сигма-частинками).
4. Дублет з негативною частинкою з масою 2585 і нейтральною з маскою 2567 (обидві називаються ксі-частинками).
Зрозуміло, група антибаріонів точно так же розпадається на дублет, утворений з антипротонів та антинейтрона, синглета з анти-ламбда і т. д.
І, нарешті, у нас залишилося вісім частинок (чотири частинки і чотири античастинки), не підданих поки класифікації. Розглянемо їх.
Дві частинки (і відповідно, дві їх античастинки) споріднені тим, що не мають маси спокою. Це два нейтрино, які тільки в 1962 році вдалося відрізнити один від одного за деякими властивостями – раніше вважали, що існує тільки одне нейтрино. Вони утворюють природну пару, а пов’язані їм частки – «антипару». Утримаємося, однак, називати нейтрино дублетом, так як ми пізніше побачимо, що це найменування зобов’язує до деяких властивостей, яких нейтрино не має.
Точно так же не можна назвати дублетом пару останніх залишених частинок. Це електрон з масою в одиницю і в двісті сім разів важчий мюон. Тим не менш, незважаючи на разючу різницю в масі, електрон і мюон (точно так само, як їх античастинки) за багатьма ознаками, наприклад за силою взаємодії з речовинами, по обертальному моменту і по деяким іншим рисам поведінки, дуже між собою схожі і утворюють природну пару.
Підведемо короткий підсумок. Наша колода частинок розпалася на чотири групи по вісім частинок в кожній. Це знову як би «масті», але вони утворені інакше, ніж у перший раз. «Піки» – це частинки, здатні заповнювати простір без жодного обмеження. У цю «масть» входять фотон і піон – елементарні складові силових полів, як би частинки-посередники, плюс їхні близькі родичі – каони.
Рівно половина «пік» нейтральна, половина заряджена, чверть – негативними зарядами. Те ж саме можна буде сказати і про інші «масті».
«Трефою» можна вважати хоча б групу з двох нейтрино, двох антинейтрино, електронно-мюонної пари та її антипари. Ці вісім частинок отримали назву лептонів (взагалі кажучи, до лептонів відносять ще й фотон, але принцип, покладений нами в основу класифікації, змусив приєднати його до іншої групи).
За «бубни» приймемо, наприклад, баріонні дублети – протонно-нейтронний, званий ще нуклонами, і дублет ксі. Зі своїми антидублетами вони утворюють вісімку частинок.
Нарешті, як «черви» цілком можуть підійти синглет лямбда з триплетом сигма та їх античастинки.
Читач може зараз висловити подив: колись ми без ентузіазму говорили про розбиття всієї сукупності елементарних частинок на чотири рівних групи, тепер же знову повернулися до цієї ідеї, зробивши лише деякі перестановки. Чим нові «масті» краще колишніх?
Звичайно, і зараз багато чого в нашому розкладі умовно. Але відмова від ділення за ознакою електричного заряду і перехід до природних груп часток, а також виділення в особливу «масть» мезонів мають глибокий сенс.
Який – ми зараз побачимо. Але для цього нам доведеться, крім статистичних властивостей частинок, розглянути динамічні, зайнятися систематизацією їх взаємних перетворень. Карти розкладені – пора знайомитися з правилами гри.
Але про це вже читайте в нашій наступній статті.
Автор: В. Тростяников.