Про елементарні частки
Проте нам здається, що читач має бути дещо розчарований. — Де ж та заплутаність властивостей частинок та їх перетворень, про яку йшлося спочатку? — спитає він.— Усього 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 тонші особливості, ніж про які було розказано. Відкриті вони були при вивченні реакцій за участю баріонів, важчих, ніж нуклони, та каонів. Частинки з такими особливостями, а всього їх знов-таки шістнадцять, рівно половина нашої «колоди», були названі «дивними» частинками.
Термін цей причепився до них тому, що їхній розпад не підкорявся самим, здавалося, елементарним вимогам — вимогам першого правила. Ні, не закон збереження енергії порушувався — це взагалі була б сенсація, а не виконувалося до цього незмінно на фундаменті досвіду і пояснене теоретично співвідношення між часом життя частки і перевищенням її енергії над енергією спокою системи, що народжується з неї.
Дивні частки живуть значно довше, ніж їм належить. Взяти бодай ламбду. Її маса майже вісімдесят одиниць перевищує сумарну масу продуктів її розпаду — протона і півонії. Ну, як жити з таким енергетичним надлишком, його треба негайно скинути, перетворити на рух, адже ні друге, ні третє правило розпаду цьому не перешкоджають! Крутизна перепаду мас при перетворенні ламбди в протонно-півонну пару така, що це перетворення має відбутися за 10 мінус 24 ступеня секунди. Так каже наука. А як насправді поводиться ламбда?
«Нахабнішим»чином. Вона примудряється прожити 10 секунд, тобто в сто трильйонів разів довше, ніж передбачає теорія. Така невідповідність, звичайно, не лізе в жодні ворота. І пригнічені ним теоретики назвали вражаюче життєздатні частинки «дивними». Однак час фетишизації слів давно канув у вічність, і вчені не могли не розуміти, що «дивною» ризикує виглядати наука, яка стає в безвихідь перед об'єктивними фактами природи.
Розгадку вдалося виявити, коли почали розглядати не окремі частинки, а їх сімейства. Ознаки, загальні всім частинок однієї й тієї ж дублета чи триплета, дали ключ до осмислення «дивності».
Почнемо з баріонів. Перше за шкалою зростаючих мас (і, головне, за значенням для структури речовини) сімейство в цій групі - дублет нуклонний, пара нейтрон - протон. Середній заряд дублету дорівнює половині. Таке значення середнього заряду і було вважати нормальним для всього баріонного сімейства.
Однак, ламбда, яка є синглетом, тобто сімейством в одній єдиній, власній особі, не буде з цього погляду нормальним баріоном. Вона нейтральна, отже, середній заряд синглета дорівнює нулю. Ми спостерігаємо відхилення від середнього заряду "недивного" дублету протон - нейтрон в негативний бік на половину одиниці заряду. Можна сміливо сказати, що середній заряд ламбда зміщений на мінус одну другу від стандартного значення.
Триплет сигма також має середній заряд, рівний нулю, і про його зміщення потрібно повторити те саме, що сказано про ламбду. Дублет кси, що складається з негативної та нейтральної частинок, має середній заряд мінус половина. Він зміщений до норми на мінус одиницю.
Так от, вчені умовно подвоюють величину усунення і називають отриману цифру «дивовиною». Слово «дивність» тутмає вже не такий сенс, як у повсякденному житті. Це точна кількісна міра частки така сама, як, скажімо, енергія, імпульс, баріонне число тощо. буд.
Те, що в терміні «дивина» присутній емоційний відтінок (втім, для фізиків, які день у день займаються дослідженням частинок, цей відтінок зникає і слово «дивина» сприймається ними як слово «швидкість», «індуктивність» тощо). говорить про те, що явища природи справляють враження не тільки на розум, а й на почуття вчених.
Навіщо знадобилося запровадження такої характеристики частинок, як дивина? Виявляється, якщо реакція між частинками йде так, що сумарна дивина системи (сума дива частинок) до реакції дорівнює сумарній дивності після неї, то швидкість процесу відповідає сильному, або ядерної взаємодії. Конкретне час життя то, можливо у разі знайдено з традиційних енергетичних міркувань.
Ті ж процеси, де сумарна дивина змінюється внаслідок перетворення частинок, протікають лише за законами слабких взаємодій, тобто тут виявляються сили в трильйони разів менші за ядерні. Природно, що у таких процесах з'являється зовсім інша шкала часу.
Слабкі взаємодії були відомі, звісно, до відкриття дивних частинок. Але думка, що баріони — частки типово ядерні, що народжуються лише за сильних процесів, можуть розпадатися за законами слабких процесів, нікому довгий час не спадало на думку. Здавалося неймовірним, що частка, що з'явилася світ через сильну взаємодію, «забуває» про своє походження і починає поводитися так, ніби їй знайомі лише слабкі поля.
Все стало на свої місця після того, як було сформульованочетверте правило перетворень елементарних частинок: «Для сильних взаємодій справедливий закон збереження дива. Якщо взаємодія слабка, то дивина може змінюватися».
Таким чином, сталість дивності вже не є універсальною властивістю реакцій між частинками, як сталість енергії, заряду та баріонного числа. Проте, четверте правило чітко — це рецепт типу «ні з чого ходити — ходи з бубей», а кількісне формулювання, має однозначний сенс. Застереження «якщо…» не створює двозначності, подібно до того, як не призводить до непорозумінь правило багатьох карткових ігор: «класти ту ж масть, що й партнер; якщо немає масті - класти козир».
Розгадавши правило дивно, вчені зрозуміли, чому деякі частинки народжуються від сильної взаємодії, а гинуть від слабкої. Щоб це стало зрозумілим також нашому читачеві, ми розберемо конкретний приклад.
Протон, що має величезну кінетичну енергію, налітає на інший протон. При цьому народжуються, скажімо, два дивні баріони — сигма-плюс та ламбда. Користуючись правилами, які є в нашому розпорядженні, ми можемо з'ясувати, які ще частинки будуть серед продуктів реакції і що станеться з цими частинками далі. Оскільки запас енергії ми прийняли необмеженим, «величезним», слід розпочати із закону збереження заряду. Він виконується без додаткових частинок. Баріонне число також зберігається. Було два баріони — і стало два. Дивина ж змінюється - у початковій системи вона дорівнювала нулю, у сигма-плюс і ламбди спільна дивина дорівнює мінус двом.
Для виправлення невідповідності диваків, ми можемо додати до похідних частинок антикси-нуль. Вона нейтральна, тому із законом збереження зарядів усе як і раніше гаразд. Дивність у неї дорівнює плюс двом,тож тепер і четверте правило задовольняється. Проте, додавання антикси-нуль порушило третє правило перетворень — баріонний заряд похідної системи дорівнював одиниці, а початкової 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 була типово ядерною, сильною. Три дивні баріони і нейтрон народилися за час близько 10 в 24 ступені секунди. Тому дивність у процесі народження необхідно зберігатись — цього вимагає четвертий закон.
Але, народившись, частки-продукти почали розлітатись у різні боки і навіки відірвалися одна від одної. 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 із збереженням дива? Виявляється, ні.
Справді, ксі за першим і другим правилам може перетворитися на ламбда та півонія. Але дивина в цьому випадку зміниться. А бажаючи виконати четверте правило, ми почнемо порушувати перше, друге та третє.
Те саме положення виникає для ламбди. Її дивина дорівнює мінус одиниці. За своєю масою ламбда перевершує лише нуклони. Отже, не зіштовхуючись ні з якою іншою часткою, мимоволі перетворитися вона ні на що, крім нейтрино або протона, не може (через перший закон механіки частка не може сама собою зупинитися і передати свою кінетичну енергію масі, що виникла). Можуть бути два варіанти: 1. Перетворення на протон і негативний півонія і 2. Перетворення на нейтрон і нейтральний півонія.
І той і інший розпади реалізуються насправді. Але в обох випадках змінюється дивність системи. З мінус одиниці вона звертається у нуль. Тому сильними такі процеси не можуть, і час їхнього протікання колосально затягується.
Така затяжка не «примха» частки, не випадковість. Частка "із задоволенням" розпалася б миттєво сильним способом, але це просто неможливо зробити - "не придумаєш" відповідних схем розпаду. І частка змушена існувати аномально довго, поки слабкі сили не змінять її дивність.
У групі мезонів теж є дивні частки — каони. Нормальний мезон - півонія - є членом триплету із середнім зарядом нуль. У каонного дублету середній заряд дорівнює плюс половині. Значить, дивина каона дорівнює одиниці. Дивина антикаону, зрозуміло, дорівнює мінус одиниці.
Отже, читач отримав у своє розпорядження опис карток, їх класифікацію та основні правила ходів. Тепер, щоб розігрувати партії, аналогічні до процесів, що відбуваються в невидимих глибинах речовини, потрібна тільки практика. Ми пропонуємо спочатку скористатися нашою допомогою. Ми сконструюємо разом хоча б одну припустиму у природі реакцію перетворення частинок.
Антипротон був уперше виявлений у пучку синхрофазотрону в Берклі (США) восени 1955 року. Визначне відкриття було зроблено під керівництвом Сегре та Чемберлена, які отримали за нього Нобелівську премію. Розігнані до шести мільярдів електроновольт протони бомбардували мету. Антипротони народжувалися при зіткненні протонів, що летять, з протонами ядер мішені.
Зрозуміло, що, крім антипротону, при цьому мають народжуватись ще якісь частинки — інакше не виконується друге та третє правила. Подивимося, які тут можуть бути варіанти.
Перший варіант. Народжуютьсятри протони та один антипротон. Іноді про таку реакцію говорять, що народжується пара протон — антипротон, маючи на увазі мовчазно, що є ще два протони, що існують із самого початку. Саме така реакція відбулася у мішені беркліївського прискорювача.
Можна показати математично суворо, що з кінетичної енергії прискореного протона в шість мільярдів електроновольт жодна інша схема, що веде до народження антипротону на протонної мішені, здійснюватися неспроможна. Але якщо запас повної енергії початкової системи протон - антипротон досить великий, можливості розширюються. Зокрема, стає певною мірою ймовірною наступна реакція.
Другий варіант. Разом із антипротоном народжується ламбда. Щоб задовольнити вимогу збереження баріонного числа, додамо дві позитивні сигми. Чого ще не вистачає на повний баланс? Неважко бачити, що бракує позитивного заряду та потрійної позитивної дивності. Візьмемо один позитивний і два нейтральних каони, приєднаємо їх до продуктів реакції і таким чином зведемо кінці з кінцями. Читач може переконатись, що всі правила перетворень тепер виконані.
Повертаючись до питання енергії, зауважимо, що з реалізації останньої схеми перетворень сучасні найбільші прискорювачі вже достатні. Енергія їх пучків сягає 30 мільярдів електроновольт - це рівносильно масі шістдесят тисяч одиниць (електронних мас). Тому така реакція постійно відбувається і в лабораторних експериментах, і в космічних променях. Але її, звичайно, заглушує реакція першого варіанту, що вимагає меншої енергії.
Отже, в хаосі властивостей частинок начебто намічаються риси порядку. Однак тут видобуто лише суто попередні відомості. Усіх законів мікросвіту ніхто поки що не знає.
Дивність при сильних процесах зберігається це встановлено. Але невідомо, чому вона зберігається при цих процесах і чому вона змінюється за слабких взаємодій. Невідомо й те, яким є механізм слабких сил.
А чому, наприклад, мюон у 207 разів важчий за електрон? Взагалі, чому в частинок саме такі маси, а чи не інші? Чому… Та чи мало можна поставити «чому»!
Можливо, принципово неправильно шукати відповіді ці питання? Що, якщо вважати відомі нам з досвіду якості частинок аксіомами?
Навряд чи слід так вчинити. Закономірності мікросвіту, якими вони постають зараз, надто складні для постулатів. Людський розум критичний, і він не може задовольнитись такою «аксіомою», як «при слабких взаємодіях дивина іноді змінюється». Вчений хоче вловити не лише правила гри, а й її зміст.