Брызги материи (часть 1)
«Углубление научного познания в недра атома выход на новый структурный уровень строения материи всякий раз открывали принципиально новые явления в микромире, а с ними — и новые возможности на макроуровне. Конечно, от познания законов микромира до обнаружения и объяснения новых явлений в макроскопических телах дистанция иногда достаточно большая. Знания в области строения микромира служат фундаментом для всех естественных наук. Крупные открытия, расширяющие наши горизонты, ведут в конечном счете к коренным изменениям в технике, к возникновению новых видов технологии, к развитию смежных дисциплин». Эти слова, принадлежащие академику А. Логунову, еще раз подчеркивают важность исследований на одном из главных направлений современного естествознания. Физика элементарных частиц, интенсивно развивающаяся в последние десятилетия, подарила выдающиеся открытия, кардинально изменившие наши взгляды на строение материи. Однако по сей день не снята с повестки дня одна проблема — проблема классификации частиц. И, как и много лет назад, ученым не дают покоя вопросы: как связаны, чем отличаются, «откуда родом» разнообразнейшие представители микромира? История и современное состояние этой проблемы — тема предлагаемой статьи.
Элементарные частицы... Среди них такие ставшие нам привычными, как электрон и нейтрон, и экзотические — такие тяжелые, что не могут удержаться на поверхности Земли и тонут в ней, как дробинка в сметане, невидимки, которых не может сфотографировать ни один наш прибор) частицы-«убийцы», разрушающие атомное вещество вокруг себя. Частицы и античастицы, заряженные и нейтральные, стабильные и эфемерные, распадающиеся, едва успев родиться. Сколько их? Как их распределить по родам, семействам, отрядам? Каких открытий можно здесь еще ожидать? И вообще, зачем природе столько «элементарных деталей»?
Их называют элементарными
Если атомы и их ядра можно разделить на более простые части, то с элементарными частицами это не удается. В любых известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга — взаимопревращаются. Если в одной реакции, например при распаде, родились более легкие частицы, то в другой, наоборот, образуются тяжелые. Никаких более простых «кусков» от них не отщепляется. Поэтому и назвали их элементарными — наипростейшими.
Полвека назад, перед второй мировой войной, физики знали шесть таких частиц. Три из них — протон, нейтрон и электрон — «частицы-кирпичики», из которых «построено» окружающее нас вещество. К ним примыкает позитрон — положительно заряженный электрон. Он, хотя и не входит в состав атомов, но наводит на мысль о том, что в природе, по-видимому, существует «зеркально отраженное» антивещество, где место электронов занимают позитроны, а вместо протонов используются отрицательно заряженные антипротоны. Кроме этого, были еще две «вспомогательные» частицы, переносящие взаимодействие и связывающие частицы-кирпичики, своего рода «силовой клей». Это частица (квант) электромагнитного поля — фотон и квант внутриядерного поля — мезон.
Кстати, с мезоном произошла занятная путаница. Эту частицу предсказал японский теоретик Хидеки Юкава (настоящее его имя Хидеки Огава, по японскому обычаю он после женитьбы принял фамилию рода жены). По его расчетам, частица должна быть в двести — триста раз тяжелее электрона, но легче протона, поэтому и получила имя «мезон» — от греческого слова «мезо», то есть «промежуточный», «средний». Но когда ее обнаружили в космических лучах, физиков удивило, насколько легко она проходила сквозь толстые железные и свинцовые болванки. Оставалось загадкой, каким образом столь слабо взаимодействующая частица может связывать нуклоны в ядрах. Ответ был найден уже в послевоенное время. Оказалось, что существуют два мезона: один — слабо взаимодействующая, похожая на электрон частица, ее-то и открыли в предвоенные годы, а другой — предсказанный Юкавой (несколько более тяжелый) сильно взаимодействующий мезон. Физиков сбила с толку близость масс этих частиц. Чтобы их различать, им в качестве ярлыка-этикетки присвоили греческие буквы \х (мю) и я (пи) и стали называть мю- и пи-мезонами.
Была еще седьмая частица — нейтрино. Точнее, гипотеза о частице-невидимке, которая взаимодействует с веществом так слабо, что успевает пройти не только сквозь земной шар, но и сквозь всю толщу Солнца. Она не оставляет никаких следов в окружающем веществе. Эту частицу никто не наблюдал, но в ее пользу говорили многие косвенные данные и прежде всего то, что без нее нельзя было объяснить таинственную пропажу энергии в распадах атомных ядер. Энергия продуктов распада была почему-то чуть-чуть меньше энергии исходного ядра, а поскольку энергия не может исчезать или возникать из ничего (иначе можно было бы построить вечный двигатель), физикам пришлось выбирать из двух зол меньшее: или признать, что неверен закон сохранения энергии, или допустить, что энергию уносит какая-то неведомая, не имеющая электрического заряда неуловимая частичка — крохотный «нейтрончик> (приблизительно так переводится с итальянского слово «нейтрино:»).
Четверть века физики вынуждены были мириться с тем, что в их рассуждениях и расчетах присутствует невидимка. Поймали ее в опытах, проведенных уже после второй мировой войны.
Итак, всего шесть или семь «самых простейших» частиц.
Пока шла война, физикам было не до частиц. Они разрабатывали радары, аппаратуру для обнаружения вражеских подводных лодок, занимались атомным оружием и массой других неотложных дел. Но после войны в различных странах — в Советском Союзе, Западной Европе, в США — стали один за другим создавать мощные ускорители, способные разгонять протоны и электроны до огромных энергий. Ускоренные частицы дробили атомные ядра, и среди осколков физики то и дело находили «золотые крупинки» новых, неизвестных дотоле частиц.
Брызги материи! Некоторые из них обладали настолько неожиданными свойствами, что пришлось учредить особую категорию «странных частиц». Сегодня многие из них хорошо изучены и уже не выглядят странными, но это название к ним прочно прилипло, как пристает иногда к человеку смешная детская кличка — Козел, Щукарь или что-нибудь подобное. А дальше открытия посыпались как из рога изобилия. Редкий месяц не приносил какой-либо новой частицы. Теперь их сотни, и для обозначения давно уже не хватает ни греческого, ни латинского алфавитов. Некоторые частицы известны просто под номерами: Al, A2 и так далее.
Сколько их всего? Теория говорит: бесконечно много. При слиянии почти любых двух частиц образуется новая. Иногда, в зависимости от величины энергии, даже несколько. Например, сливаясь с протоном, пи-мезон рождает целую серию тяжелых частиц — резонансов. (Их называют так потому, что каждая образуется в очень узком интервале энергии — это похоже на резонанс.) Взаимодействие частиц-резонан-сов рождает новые частицы и т. д.
Но вот что важно: если не считать частиц-кирпичиков протона, нейтрона и электрона, то в готовом виде элементарных частиц нет ни внутри атома, ни внутри его ядра. Они каждый раз заново рождаются в ядерных реакциях. Пословица говорит: лес рубят — щепки летят. Но щепки — это кусочки того, что уже было. Частицы же образуются в процессах столкновений.
В древнем мифе рассказывается о рождении богини Афродиты из морской пены. Неистовый ветер ударил волну о берег, и из вспыхнувшей радуги брызг и белой шипящей пены ступила на берег богиня красоты. Рождение частиц происходит не менее эффектно, но не из пены, а из энергии, точнее, из массы, связанной с энергией. Движущаяся частица массивнее неподвижной, поскольку кинетическая энергия движения тоже обладает массой. За счет этой массы и образуются новые частицы.
Большие ускорители как раз и создаются для того, чтобы разгонять частицы до такой скорости, чтобы их энергии было достаточно для рождения новых.
Мир элементарных частиц необычайно богат. Каких только здесь нет пород, гибридов и монстров! Некоторые из них стоит рассмотреть поближе.
Зоопарк в микромире
Представим себе, что мы гуляем в таком зоопарке. Слева — небольшая аллея лептонов с клетками легких частиц, справа — длиннющая, уходящая за горизонт аллея со множеством загонов для массивных частиц-адронов (здесь снова используются греческие корни: «лепто-» — легкий, мелкий и «хадро-» — тяжелый, крупный).
Ряд адронов начинается с наших знакомцев — протона и нейтрона. Они настолько похожи по своим свойствам, что физики считают их двумя состояниями одной и той же частицы — нуклона. Когда у нуклона нет электрического заряда, это нейтрон, если же в результате каких-то взаимодействий он получит заряд, это будет уже протон. Можно сказать, что у нуклона два лица: одно — протонное, другое — нейтронное. Если прибегнуть к иной аналогии, то нуклон можно уподобить электрической лампочке. Когда она горит, это — протон, выключена — нейтрон. Аналогия, конечно, далекая, но в общем-то правильная. И если уж следовать ей, то пи-мезон (его клетка расположена рядом с вольером нуклонов) следует сравнить с электрической лампочкой, имеющей три состояния: когда она горит красным светом, это мезон с положительным электрическим зарядом, если потушена — нейтральный мезон, а когда светит синим светом, это мезон с отрицательным зарядом.
Когда нуклон испускает или поглощает нейтральный пи-мезон, он не меняет своего состояния: протон остается протоном, нейтрон — нейтроном. Если же протон испускает пи+-мезон или поглощает пи-, он становится нейтроном. Наоборот, поглотив пи+ или испустив пи-, нейтрон превращается в протон. Внутри атомного ядра нуклоны непрерывно играют в мезонный «бадминтон». Между ними образуется что-то вроде Связывающего их мезонного «ремня». Правда, этот «ремень» несплошной, но и обычный ремень, если его рассматривать под большим увеличением, тоже состоит в основном из пустоты — промежутков между атомами и вакуума, в который погружены их электроны и ядра.
Пи-мезон (физики называют его иногда «пионом ») — нестабильная частица. В заряженных состояниях он живет около стомиллионной доли секунды и распадается на мю-мезон и нейтрино. В нейтральном состоянии время его жизни еще в сто миллионов раз меньше. Он почти мгновенно распадается на два высокоэнергетических фотона.
Рядом стоит клетка с р (ро)-мезоном. Он во всем похож на пи-мезон, тоже имеет три лица, только впятеро тяжелее и, кроме того, быстро и безостановочно вращается, как маленький волчок. Точнее, как штопор. Движется и вращается, как бы «навинчивается» на свою траекторию. Вот только живет ро-мезон очень мало, ничтожный миг — около 10~23 секунды. Распадаясь, ро-мезон превращается в два быстрых пи-мезона.
Недалеко от пи- и ро-мезонов помещается (о (омега)-мезон. Это — нейтральная частица-волчок с массой, как у ро-мезона, и вдесятеро большим временем жизни. Она распадается на три пи-мезона.
Далее идут вольеры «странных частиц». Все они короткоживущие. Некоторые похожи на нуклон, их называют гиперонами, другие — «странные мезоны»! Когда эти частицы впервые обнаружили, было удивительно, что они всегда рождаются парами, как будто не могут жить друг без друга. Поэтому их и назвали «частицами со странностью». Впрочем, вскоре нашлись еще более удивительные частицы, которые тоже рождаются парами. Их появление и «черты характера» были предсказаны теоретиками, и когда их открыли, теоретики были так рады, что назвали их «прелестными».
Вслед за площадкой «прелестных частиц» мы видим множество клеток с очень тяжелыми адронами. В сравнении с нуклоном некоторые из них выглядят, как бегемоты рядом с поросенком. Большинство из них такие неповоротливые, что, едва успев родиться, тут же на месте распадаются на более легкие частицы. Время жизни наименее устойчивых изображается десятичной дробью с более чем двумя десятками нулей после запятой. Почти все они входит в армию частиц-резонансов («резононов»), о которых уже упоминалось выше. Оставим их пока в покое, все равно всех не осмотришь, и обратимся к противоположной стороне аллеи. Там расположены античастицы.
Первой античастицей, с которой познакомились физики, был позитрон. Когда он сталкивается с электроном, вещество обеих частиц полностью «превращается» в излучение — в фотоны. Происходит полное уничтожение, или, как говорят физики, аннигиляция вещества. Такие полярные взаимоуничтожающиеся частицы стали называть частицей и античастицей.
Антипартнера имеет не только электрон, но и все элементарные частицы. У протона — антипротон, у нейтрона — антинейтрон и так далее. Это похоже на то, как в мире живых существ есть особи противоположного пола (мужские и женские). Правда, некоторые частицы, например фотон или нейтральный пи-мезон, в одном лице совмещают должность частицы и античастицы. Однако таких двуполых частиц мало. Как правило, частица и античастица сильно различаются по своим свойствам. У них противоположные электрические заряды, а если частица нейтральная, как нейтрон, то противоположными оказываются другие ее характеристики, например направление вращения.
Перейдем теперь на соседнюю аллею, к леп-тонам. Первыми мы встречаем здесь три почти одинаковых частицы — электрон, и. (мю)-мезон и т (тау)-мезон. Различаются они лишь своей массой (мю-мезон в двести с лишним раз тяжелее электрона, тау-мезон — еще более тяжелая частица), да еще тем, что в отличие от электрона мю- и тау-мезоны радиоактивные — они распадаются на электрон и нейтрино. Правильнее было бы назвать их не мезонами, а тяжелыми электронами. Честно говоря, до сих пор до конца не ясно, зачем потребовалось природе несколько различающихся по массе «изданий» электрона!
Рядом с клетками электроподобных частиц, как собачки у ног хозяев, устроились три нейтрино. Их так и называют — нейтрино электронное, нейтрино мезонное и тау-нейтрино. Каждое рождается только вместе со своим хозяином, сопровождает его в реакциях и на соседей не обращает никакого внимания.
Масса покоя нейтрино равна нулю. Они, как фотон, «бестелесные» и никогда не стоят на месте. Их скорость всегда равна скорости света. Хотя в газетах и сообщалось, что в точных экспериментах у нейтрино обнаружена маленькая масса, контрольные опыты этого пока не подтвердили. Можно сказать, что нейтрино — это «черный свет». Сочетание противоречивое, но в физике встречается и не такое!
Когда семейство лептонов состояло всего из трех частиц — безмассового нейтрино, электрона почти в две тысячи раз легче протона и его «антибрата» позитрона, фамилия «лептоны» была точной характеристикой этих частиц.
Однако после открытия мю- и тау-мезонов, которые в сотни раз массивнее электрона, легкими их можно называть лишь условно. Названия «лептой» и «адрон» теперь стали чисто условными, фактически синонимами эпитетов «слабо-» и «сильновзаимодействующий». (Все лептоны взаимодействуют значительно слабее адронов.) Но такова уж сила привычки, физикам трудно отказаться от примелькавшихся выражений.
Продолжение статьи - читать.