Про елементарні частинки. Частина третя.

Як ми вже знаємо (з минулих частин), стабільними є дев’ять часток. П’ять з них не мають маси спокою – фотон і два нейтрино зі своїми антинейтрино. З речових частинок стійко поводяться електрон, антиелектрон (або позитрон), протон і антипротон. Інші частки, тобто більше ніж дві третини всіх, через якийсь час після свого народження самі собою розвалюються на інші частинки. Іноді відбувається цілий ланцюжок перетворень: справа завжди, зрозуміло, закінчується тим, що залишаються лише стабільні частинки. Ось приклад такого ланцюжка.

Негативна ксі-частинка живе одну мільярдну частку секунди і мимовільно розпадається потім на нейтральну лямбда-частинку і негативний піон. Ламбда в свою чергу через 2,77 секунди після свого народження гине, породжуючи протон і негативний піон. Протон вибуває з подальшої гри в переодягання – він стабільний. Кожен же з двох новоявлених на світ піонів дає негативну мюон і стабільне антинейтрино, витрачаючи на це близько стомільйонної частки секунди. Нарешті, через такий «великий» термін, як дві мільйонних частки секунди, на місці зниклих мюонів з’являється по електрону, нейтрино і антинейтрино. У результаті всіх цих пертурбацій світ поповнився лише стабільними частинками – протоном і шістьма нейтрино.

Природно, постає питання: а звідки ж беруться нестабільні частинки? Вони народжуються при зіткненнях елементарних частинок, у тому числі і стабільних. Більшість нестійких частинок було відкрито за допомогою бомбардування речовини пучками частинок високої енергії в прискорювачах.

Енергія! Це слово дає нам перший ключ до розуміння динамічних властивостей елементарних частинок. Вона зберігається при всіх перетвореннях, тобто сумарна енергія частинок, що беруть участь в реакціях і розпади, залишається завжди постійною. Закон цей потрібно вважати одним з найбільш міцно встановлених в природі.

Навіть самі грубі якісні висновки із закону збереження енергії в додатку до розпадів частинок є дуже цінними – вони відразу різко обмежують можливість перетворень. Скажімо, нерухомий нейтрон не може розпастися з утворенням лямбда-частинки, бо мінімальна енергія останньої перевершує енергію спокою нейтрона. Інакше кажучи, по відношенню до спочиваючих частинок буде справедливо таке правило: ніяка частинка не може в результаті якої-небудь реакції дати в якості одного з продуктів більш важку частинку. Адже згідно теорії відносності Ейнштейна мінімальна енергія тіла (в стані спокою) дорівнює добутку маси тіла на квадрат швидкості світла. Коли частинка рухається, до її енергії спокою додається кінетична енергія.

Однак, таке обмеження все-таки залишається досить рихлим. Воно стає багато краще після кількісного уточнення: «Ймовірність певного розпаду елементарної частинки або якоїсь реакції між частинками дуже круто зростає зі збільшенням перевищення повної енергії початкових частинок над енергією спокою частинок-продуктів».

Ця не зовсім складна фраза означає наступне: коли повна енергія (енергія спокою плюс кінетична енергія) вихідної системи частинок дорівнює енергії спокою системи, яка повинна виникнути в результаті перетворення, то ймовірність перетворення дорівнює нулю.

Якщо ж перетворення вивільняє деяку енергію, яка перетворюється в кінетичну енергію продуктів реакції, то ймовірність перетворення вже стає помітною.

Ось приклад: під час бета-розпаду нейтрон перетворюється на протон, електрон і нейтрино. Нейтрон важить 1838,6 одиниць, протон і електрон в сумі – 1837,1 одиниць. Нейтрино невагоме. Як видно, тут запасу енергії первісної щаблі – нейтрона ледь вистачає на те, щоб створити кінцеві продукти. Надлишок, який іде в кінетичну енергію цих продуктів, зовсім малий. Тому вільний нейтрон живе порівняно довго (близько 12 хвилин), ймовірність бета-розпаду мала.

Інша справа, скажімо, ксі-частинка, схема розпаду якої нам вже знайома. Вона важить 2585 одиниць, а її дочірня система – лямбда плюс піон – всього 2455,2 одиниць, тобто на сто двадцять дев’ять і дві десятих одиниць менше. Різниця в цьому випадку досить відчутна, тому ксі розпадається миттєво. Чим більше перепад між верхів’ям річки та її гирлом, тим швидше річка тече.

Але просте логічне міркування показує, що закони перетворень елементарних частинок не можуть зводитися до сформульованим зараз правилам. Інакше всі важкі частки прагнули б якомога швидше позбутися від гнітючої енергії спокою і перетворитися на швидкі та легкі частинки. У кінцевому рахунку, за кілька миттєвостей весь світ обернувся б на фотони і нейтрино.

Насправді ж цього не відбувається. Ланцюжки послідовних перетворень обриваються не тільки на невагомих частинках, а й на протонах й електронах, антипротонах і позитронах.

Чому ж протон не розпадається далі, скажімо, не переходить у піон плюс фотон? За енергією такий перехід був би дуже надлишковим, тобто, здавалося б, інтенсивним. Або чому виявляється стабільним електрон, адже енергетично йому вигідно перетворитися на частинки без маси спокою? Почнемо з останнього питання, оскільки багато хто з читачів, ймовірно, самі близькі до відповіді на нього.

– Електрон заряджений негативно, скажуть вони, – а фотони і нейтрино нейтральні. Куди ж подінеться заряд, якщо електрон перетвориться на невагомі частинки? Тут здоровий глузд дає той же висновок, що і наука – явище не таке вже часте. Хоча незнищенність електричного заряду нізвідки теоретично не слідує, вона являє собою досвідчений факт, встановлений майже так само непорушно, як неможливість побудови вічного двигуна (тобто закон незнищенності енергії). Грунтуючись на цьому факті, можна дати друге правило «гри» елементарних частинок: «Алгебраїчна сума зарядів вихідної системи повинна дорівнювати сумі алгебри зарядів дочірніх систем».

Однак, це ще не все. Закону збереження заряду зовсім не суперечило б перетворення протона в позитивний піон і фотон. І першому енергетичному правилу не суперечило б теж. І якщо протон виявляється стійким, значить, на гру накладені ще якісь умови. Одна з них була відкрита порівняно недавно, але виявилася настільки важливою, що здається зараз вченим мало не очевидною. Ось ця умова: «Різниця між числом баріонів і числом антибаріонів в якійсь системі частинок залишається незмінною при будь-яких перетвореннях цієї системи».

Як окремий випадок цього закону, виходить наприклад, таке правило: баріон не може перетворитися цілком у небаріонну частинку – він перейде в систему, що обов’язково містить або баріон, або два баріони і антибаріон, або три баріони і два антибаріони і т. д.
Фізики ввели у вжиток термін «баріонне число». Вважається, що для всякого баріону воно дорівнює одиниці, для всякого антибаріону – мінус одиниці, для всякого небаріонну – нулю. За допомогою визначеного таким чином терміна зручно переформулювати наше третє правило як «закон збереження сумарного баріонного числа системи».

Хоча встановлені нами три правила поведінки частинок охоплюють далеко не все, що знає сучасна ядерна фізика, хоча залишилися не обговореними навіть деякі універсальні закони, наприклад закон збереження імпульсу або закон збереження обертального моменту, – ми можемо потрошку починати гру з нашими «картами». Якщо ми будемо неухильно виконувати дані вище три рецепта, у нас вийде вже щось, що нагадує реальну «гру» природи.

Далі буде.

Автор: В. Тростяников.