книги / Физика для бакалавра. Ч. 2

34.3. Свойства элементарных частиц

Для того чтобы понять утверждение о том, что адроны состоят из кварков, нужно сначала понять, что связывает протоны

инейтроны в ядро атома, пройти вместе с ними их путь в недра материи.

Когда заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, они как бы играют в бадминтон – обмениваются «воланчиком» – фотоном. Одна частица испускает фотон, а вторая ловит

иотбрасывает назад. Чем ближе частицы друг к другу, тем

391

сильнее взаимодействие, тем быстрее идет игра. Фотон мелькает так быстро, что между частицами протягивается что-то вроде ремня, только очень тонкого и не сплошного, но это неважно – ведь и обычный ремень в основном состоит из пустоты. Но нейтрон в такой «бадминтон» не играет – он электрически нейтрален, и «воланчик» попросту не замечает.

Исследуя реакции по испусканию ядром электрона, физики нашли таинственную пропажу энергии – суммарная энергия ядра и электрона после реакции всегда оказывалась чуточку меньше, чем энергия еще не распавшегося ядра. Это приводило к выбору: признать, что закон сохранения энергии неверен, или допустить существование неизвестной частицы, не имеющей заряда и уносящий часть энергии. Гипотезу о существовании такой частицы высказал Вольфганг Паули. Эту частицу назвали нейтрино (в переводе с итальянского – нейтрончик).

Основываясь на этой гипотезе, Д.Д. Иваненко и И.Е. Тамм предположили, что частицы в ядре обмениваются не только фотонами, но и парами частиц – позитроном и нейтрино или электроном и нейтрино. Испустив позитрон и нейтрино, протон становится нейтроном, а, поглотив их, нейтрон становится протоном. Возникает вопрос – почему нуклоны обмениваются двумя частицами, а не одной, например? Оказывается, это невозможно. Частицы постоянно вращаются вокруг своей оси. Вращение их одинаково, различие лишь в его направлении – справа налево или слева направо. Отрываясь от протона или нейтрона, одна частица унесет с собой их вращение, а невращающихся нуклонов не существует. А если испускается пара частиц, они могут вращаться в противоположных направлениях, и в сумме пара никакого вращения не уносит.

Эта теория на некоторое время стала главным событием физики, но более точные расчеты показали, что испускание двух частиц происходит слишком редко, и образуемых ими связей недостаточно, чтобы скрепить ядро.

392

Тем не менее способ объяснить внутриядерные силы «бадминтоном» каких-то частиц выглядел очень заманчивым. Молодой японский теоретик Хидеки Юкава пошел по этому пути

ирешил принять на веру то, что протоны и нейтроны обмениваются какой-то неизвестной доселе частицей, и установить ее свойства. Вышло, что эта частица должна быть в 200–300 раз тяжелее электрона и частота испускания-поглощения ее в тысячу раз больше, чем для фотона. Как будто вместо легкого волан- чика-фотона игроки-нуклоны использовали в своем «бадминтоне» тяжелый валун, к тому же перебрасываясь им с огромной скоростью.

Частица массой в 200 раз больше электронной была обнаружена в космических лучах и названа мезоном от греческого «мезо» – средний. Средний между электроном и протоном.

Когда протон находится рядом с другим протоном, они играют в мезонный «бадминтон». Если же протон одинок, то он «играет» сам с собой – испускает π-мезон и тут же поглощает его обратно и так далее – как жонглер в цирке. Время акта испускания и поглощения очень мало, но из-за многократного повторения возникает размазка заряда и массы в пространстве. Образно говоря, нуклон мигает: вспыхнет «мезонным светом»

итут же погаснет, и так без конца. Испустив π+-мезон, протон становится нейтроном, а нейтрон при испускании π–-мезона становится протоном. При испускании π0-мезона протон и нейтрон остаются сами собой. Во всех случаях π-мезон входит в состав нуклона.

Сам π-мезон тоже окружает себя «шубкой» из элементарных частиц. Он на короткое время испускает пару π-мезонов. Почему именно пару, а не один мезон – сложный вопрос, связанный с особенностями этой частицы. Главное, что π-мезон состоит из частей, которые не отличаются от целого! Мезон со-

стоит из мезонов! Более того, π-мезон может на короткое время превратиться в нуклон и антинуклон. Например, π+-мезон в протон и антинейтрон, а π0-мезон – в протон и антипротон.

393

Сегодня известно, что все частицы содержат в себе много разных типов легких и тяжелых частиц. Более легкие частицы могут удалиться на достаточно большое расстояние, пока не будут поглощены обратно. Более тяжелые, наоборот, жмутся к центру. Поэтому центральная часть любой частицы (керн) более тяжелая, чем периферия, окраина.

Все элементарные частицы одеты в «шубу» из рождающихся и быстро исчезающих частиц. Даже фотоны и нейтрино имеют свои «шубы» – вокруг них рождаются электроны и позитроны, правда, это происходит весьма редко.

Элементарные частицы состоят из элементарных частиц. Получается сеть, в которой все частицы являются простыми и сложными одновременно. Природа устроена хитрее и изобретательнее любой человеческой фантазии. Но как быть с законами сохранения энергии и массы? Ведь если протон оторвал от себя увесистый кусочек в виде π-мезона и остался протоном, откуда тогда взялся материал для π-мезона?

Противоречие налицо, особенно при превращении π-мезона

внуклон и антинуклон. В этом случае части весят в 14 раз больше целого!

Оказывается, эффект давления жидкости снизу на тело присутствует и внутри частиц. Только место воды там занимает энергия. «Куски» частицы погружены в силовое поле взаимодействия – своеобразную энергетическую ванну, и их масса уменьшается. Энергия в нуклоне имеет отрицательный знак, потому что для растаскивания притягивающихся друг к другу частей требуется трата энергии. Энергетическая «ванна» есть и

ватоме. В нее «налита» энергия электромагнитного взаимодействия электронов с ядром. Оно в тысячи раз слабее сил, действующих внутри самих элементарных частиц и поэтому плотность энергии во внутриатомной «ванне» очень мала. Электроны теряют в весе столько же, сколько и люди в атмосфере.

Потеря веса внутри ядра составляет уже проценты, а внутри элементарной частицы она настолько велика, что они как бы

394

растворяются в энергии взаимодействия. На связь частей уходит значительная часть общей энергии и массы. В этом главное отличие элементарной частицы от всех других микрочастиц. Современную физику недостаточно просто выучить, к ней надо привыкнуть! Но с «лестницей», ведущей в недра материи, творится что-то странное: атомы расположены глубже молекул, ядра глубже атомов, а вот в протоне творится что-то невообразимое. Ступеньки громоздятся друг на друга и уже не так легко понять, спускаемся ли мы вниз или топчемся на месте. Когда задача становится слишком сложной и запутанной, полезно взглянуть на нее с другой стороны. Забудем, что протон элементарный, попробуем просветить его какими-либо лучами.

Далее путем электронного «просвечивания» удалось увидеть протон ближе. Он выглядит примерно как планета с массивным ядром и протяженной атмосферой. Радиус протонного керна всего лишь в несколько раз меньше размеров его мезонной «шубы». Можно было ожидать, что нейтрон имеет аналогичное строение. Простая модель испускания-поглощения мезона подсказывает, что окраинные области у протона и нейтрона отличаются лишь знаком заряда. Опыт неожиданно показал совсем другое – радиус облака электрических зарядов у нейтрона оказался равным нулю! Иными словами, в нейтроне есть что-то, что нейтрализует заряд мезонного облака или модель «жонглирования» неверна, и тогда наше представление о строении элементарных частиц несправедливо, и физикам придется начинать все заново. Было от чего прийти в волнение! Ученые всего мира собирали конгрессы, пытались сообща понять, в чем тут дело. Работали над этим в научном центре в Дубне.

Непонятно, почему происходит нейтрализация облаков, но прежде надо удостовериться, что эти облака существуют. Это можно установить, поместив нейтрон в сильное электрическое поле. Тогда все положительные заряды сместятся в одну сторону, а отрицательные – в другую. Нейтрон превратится из шарика в гантель, что скажется на его взаимодействиях с атомными яд-

395

рами. Заметить растяжение нейтрона на опыте так и не удалось, помешали побочные эффекты.

Разгадка этого явления пришла после открытия тяжелых мезонов Ρ и Ω. Выяснилось, что π-мезоны при определенных условиях могут «слипаться» и превращаться в короткоживущие частицы. Это и были Ρ- и Ω-мезоны. Из таких «слипающихся» и снова разваливающихся частиц и состоит «шуба» нуклона. В протоне условия благоприятствуют образованию заряженных «капель», а в нейтроне – нейтральных, поэтому электроны и не чувствуют мезонной оболочки нейтрона. Чтобы ее обнаружить, нужно просвечивать нейтрон пучком жестких протонов. Во всех взаимодействиях нейтрон ведет себя, как частица с «размазанной» в пространстве массой и равным нулю радиусом распространения электрических зарядов.

Но все это не упростило картину строения нуклонов, а только усложнило ее. Если бы протон представлял собой монолитную единую картину, то согласно третьему закону Ньютона величина импульса столкнувшегося и отскочившего от протона электрона дала бы сведения о движении протона как целого. В опытах с рассеиванием очень жестких электронов получилось иначе – вместо четкой точки на экранах получилось размытое пятно. Американский физик Р.Фейнман первым понял, в чем тут дело. Используя аналогию с радиолокацией, где разваливающаяся на куски ракета или самолет предстают на экране радара расплывчатым пятном, Фейнман предположил, что нуклоны состоят из мелких частичек. Из них состоит его керн

имезонное облако. Эти частицы он назвал партонами – от английского слова part – часть. Теперь можно спросить, что же такое нуклон – керн, одетый в мезонную «шубу», или комочек мелкозернистой партонной «икры»? Объекты микромира, их необычную сущность нельзя объяснить одной картиной – они слишком сложны для этого. Наглядное представление о нуклоне – это набор отдельных картинок.

Также и обилие открытых и вновь открываемых адронов

ирезонансов навело ученых на мысль об их сложном строении.

396

Гелл-Манн и Цвейг независимо друг от друга предположили, что все адроны состоят из более фундаментальных частиц, названных Гелл-Манном кварками. Цвейг предложил назвать кварки тузами, Фейнман – партонами, но эти названия не прижились. О происхождении названия «кварк» у физиков в ходу две легенды. По одной из них оно появилось, как шутка – в немецком языке слово «кварк» означает одновременно «творог», «протоплазма» и «чепуха». Поначалу теоретики с юмором относились к сделанному открытию. Согласно другой легенде название новой элементарной частицы взято из романа Джойса «Поминки по Финнигану», где в бредовом сне героя летящие за кораблем чайки выкрикивают человеческими голосами фразу: «Три кварка для мистера Марка».

Поначалу многие ученые считали кварки курьезом, временными «строительными лесами» новой, более совершенной теории. Но не успели они оглянуться, как оказалось, что с помощью кварков просто и наглядно объясняются различные экспериментальные факты, а теоретические вычисления сильно упрощаются.

В целом картина строения материи стала приобретать более привычные черты: нуклоны состоят из кварков, большее из меньшего, и ступеньки воображаемой лестницы вновь выпрямились и пошли вниз. Кварки обладают несколькими выдающимися особенностями. Их заряд равен –1/3 и +2/3 электронного, а в природе до этого не находили частицы с дробным зарядом. Также у кварков есть цвет и аромат. Аромат – это просто способ различать шесть кварков. Сначала хотели их просто пронумеровать, но решили, что нельзя назвать один кварк первым, а другой – последним, и ввели понятие аромата. Конечно же, понюхать кварк нельзя, это лишь удобный и необычный термин,

такой как странность, очарование или прелесть.

Цвет кварка – это его своеобразный заряд. Испуская или поглощая глюон, кварк меняет свой цвет. Глюоны, подобно пчелам, снуют между кварками, перенося цвет. В зависимости

397

от того, сколько и какой «пыльцы» унес глюон, кварк приобретает определенный цвет. Кварковый заряд – цвет – во многом похож на электрический. Он также может быть большим или маленьким, положительным или отрицательным (тогда говорят, что цвет сменился антицветом). Но есть и отличие. Как бы не изменялся электрический заряд, он всегда остается зарядом,

ацветовой заряд может изменить свой цвет.

Соткрытием цвета микромир стал ярче и разнообразнее, но кварков стало уже 18. Слишком уж сложной стала «самая элементарная частица».

34.4.Кварки и лептоны

Кнастоящему времени установлено существование пяти ароматов кварков: u, d, s, c, b. Неоднократно поступали сообщения об открытии t-кварка, но окончательно его существование не установлено. Массы кварков: mu = 5 МэВ, md = 1 МэВ, ms =

=150 МэВ, mc = 1,3 ГэВ, mb = 5 ГэВ, mt > 22 ГэВ. Эти данные – оценочные и грубо ориентировочные, так как кварки в свободном состоянии не наблюдались и их нельзя было исследовать прямыми методами.

Все кварки имеют спин 1/2 и барионный заряд 1/3. Кварки u, с, t, называют верхними, так как они имеют заряд +2/3, а s, b с электрическим зарядом –1/3 – нижними. Кварк s является носителем странности, с – очарования, b – красоты (прелести). Странность была обнаружена в 1953 году при открытии К-мезо-

нов и гиперонов. Они рождались за счет сильных взаимодействий с характерным временем порядка 10–23 с, а времена жизни оказались порядка 10–8–10–10 с. Было совершенно непонятно, почему они живут так долго, почему не распадаются за счет сильного взаимодействия, в результате которого они возникают? Дальнейшие исследования показали, что странные частицы рождаются парами. Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не могут играть роли в распаде частиц из-за того, что для их проявления необходимо присутствие двух странных час-

398

тиц. По той же причине запрещено рождение одиночных странных частиц.

В основе запрета какого-либо процесса лежит некоторый закон сохранения. Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц, М. Гелл-Манн и К. Нишиджима ввели новое квантовое число s, суммарное значение которого должно, по их предположению, сохраняться при сильных взаимодействиях. Его и назвали странностью.

Очарованный кварк – это кварк с квантовым числом с, которое у всех остальных равно нулю, равным единице. Частицы семейств χ и ψ представляют собой различные уровни (состояния) системы. Эта система названа чармонием, по аналогии с системой электрон – позитрон, названной позитронием. Поскольку очарование кварка и антикварка в чармонии в сумме дает нуль, говорят, что эта система обладает скрытым очарованием. В 1976 году были предсказаны и открыты частицы с явным очарованием.

Красота – это разность между числами b кварков и b антикварков. Красота сохраняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях и может нарушаться при слабых.

Цвет внутри нуклона от кварка к кварку переносят частички – глюоны. Они похожи на фотоны. У глюонов нет массы, они движутся со скоростью света. Однако в отличие от зарядовонейтральных фотонов, глюоны просто «измазаны» зарядом. Фотон никакого нового электрического поля вокруг себя не создает. Глюон же своим собственным зарядом рождает новые глюоны и происходит лавинообразное саморазмножение.

Каждый кварк утоплен в толстом комке глюонной «резины». Очищенными от глюонов они становятся лишь в центре нуклона. Зондирование центральных областей нуклона дало неожиданные результаты – чистые кварки – легкие объекты, они в 100 раз легче нуклона. Оказывается, нуклоны состоят в основном из глюонов.

399

Опыты показали, что в центре элементарной частицы кварки почти не связаны взаимодействиями и ведут себя как плавающие в воздухе надувные шарики. Если же кварки пытаются разойтись, то сразу возникают связывающие их силы. Сквозь стенки протона легко проникают пучки зондирующих электронов, их пронизывают фотоны и нейтрино. И в то же время оттуда не может вырваться ни один кварк. Понять, почему это происходит, можно на очень простой модели. Представим себе, что между кварками натянуто что-то вроде резиновых нитей. Когда кварки рядом друг с другом, нити провисают, и ничто не мешает им двигаться. Но как только они расходятся, нити натягиваются

иутягивают кварки обратно. Если в один из кварков «выстрелить» быстрым электроном, то он получит большой импульс и отскочит. Но его движение будет продолжаться лишь до тех пор, пока натяжение «резиновой нити» не возрастет настолько, что их энергии хватит на рождение новой пары кварков. «Нить» рвется, в точке разрыва выделяется энергия и рождается пара кварк–антикварк. Антикварк и выбитый электроном кварк «слипнутся» в мезон, а оставшийся кварк займет место выбитого кварка.

Теперь должно быть понятно, почему не удается выбить кварк из нуклона: сколько по нему ни бей, из него будут вылетать целые частицы – адроны, а не их осколки – кварки и антикварки.

Каждый лептон характеризуется лептонным зарядом, или лептонным числом. Следует различать мюонный, электронный

итаонный заряды, обозначаемые соответственно через Lμ, Le, Lτ. Это различные величины, хотя им условно приписываются одинаковые числовые значения. Условились для всех отрицательно заряженных лептонов считать лептонные заряды равными +1. Лептонные заряды всех остальных частиц находятся из

экспериментально установленного факта, согласно которому в замкнутой системе разность между числом лептонов и антилептонов остается постоянной. Для этого нужно придать этому

400