Текст книги "Бег за бесконечностью"
Автор книги: Александр Потупа
сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 16 страниц)
классы частицы символ название
фотон y фотон лептоны vе нейтрино электронное
vu нейтрино мюонное
е электрон
u мюон
мезоны
стабильные п пи-мезоны
K ка-мезоны
n эта-мезон
резонансы р ро-мезоны
w омега-мезоны
.
.
y пси-мезоны
адроны
барионы
стабильные p протон
n нейтрон
Л лямбда-гиперон
S сигма-гипероны
Е кси-гипероны
О омега-гиперон
резонансы N1470 N-1470
.
N3030 N-3030
. Д1232 дельта-три-три
.
Д3230 дельта-3230
За последние 15 лет таблица частиц разрослась чуть ли не в 10 раз! Но, как ни странно, поток адронных резонансов не привел к хаосу в наших представлениях о микромире. Сквозь необъятные строки и столбцы таблицы частиц стали просматриваться удивительно четкие закономерности…
Спасительные симметрииСогласно библейской легенде Ной начал строить ковчег заранее и именно поэтому вполне благополучно пережил потоп. Нечто подобное произошло и в физике элементарных частиц. К моменту, когда на страницы научных журналов хлынул поток сообщений об открытии адронных резонансов, у теоретиков были подготовлены неплохие спасательные средства с красивым названием Высшие Симметрии. Оказалось, что огромная таблица сильновзаимодействующих частиц-адронов выстроена как бы не из отдельных «кирпичиков», а из целых «крупноблочных конструкций». Иными словами, адроны можно разделять на группы частиц с близкими свойствами, и таким образом наводить среди них весьма четкий порядок.
Что же такое симметрия, и о каких свойствах частиц идет речь?
Симметрия буквально означает соизмеримость. Это понятие играет важную роль в физике, как, впрочем, и во многих других областях научной и практической деятельности. Например, архитектор стремится, как правило, создавать симметричные здания со строгим равенством всех деталей относительно центра фасада – справа и слева должно располагаться одинаковое количество колонн, ступеней, окон, дверей…
Такое полностью симметричное здание обладает одним интересным свойством. Предположим, перед вами лежат два его фотоизображения, причем одно из них получено при непосредственном фотографировании изображения этого же здания в обыкновенном зеркале. Нетрудно догадаться, что при тщательном изготовлении обоих снимков никто не сумеет определить, где же изображено само здание, а где его зеркальный двойник. Мы сталкиваемся здесь с важным свойством симметричного объекта – его вид сохраняется при зеркальном отражении.
На самом деле любые формы симметрии тел или процессов связаны со свойством сохранения какой-либо величины. Верно и обратное утверждение: если есть закон сохранения, то за ним непременно скрывается определенная симметрия. Именно исследование законов сохранения и привело физиков к идеям группировки элементарных частиц.
Прежде всего остановимся на двух так называемых абсолютных законах сохранения: электрического и барионного зарядов (или квантовых чисел). К тому, что электрический заряд в некотором замкнутом объеме не исчезает бесследно и не появляется из ничего, мы привыкли с довольно давних времен. Когда речь идет об элементарных частицах, то закон сохранения электрического заряда означает, что алгебраическая сумма числа положительных и отрицательных зарядов до начала реакции и после нее не изменяется. Этот закон проверен в таком количестве опытов и со столь высокой степенью точности, что его относят к числу абсолютных законов сохранения. Важно то, что он выполняется в любых реакциях и ни одно из известных взаимодействий не способно его нарушить.
Одно из важнейших проявлений этого закона состоит в том, что электрон легчайшая из электрически заряженных элементарных частиц – абсолютно стабилен, то есть не способен к самопроизвольному распаду на какие-нибудь более легкие незаряженные частицы, например, на нейтрино.
Другой абсолютный закон сохранения связан со своеобразной закономерностью в поведении барионов, к которым, как вы помните, относятся протон, нейтрон, гипероны и значительная часть известных адронных резонансов. Барионы не могут бесследно исчезнуть или появиться из ничего. Иными словами, сумма числа барионов и антибарионов до какой-либо реакции и после нее остается постоянной. Формально этот закон можно представлять себе так, что как бы каждому бариону приписывается барионный заряд плюс единица, а каждому антибариону – минус единица, и в любой реакции алгебраическая сумма зарядов будет сохраняться.
Закон сохранения барионного заряда также проверен в огромном количестве опытов и в некотором смысле даже с большей точностью, чем в случае сохранения электрического заряда. Дело в том, что легчайший из барионов протон – не должен распадаться на какие-то более легкие частицы, например, на мезоны или лептоны, не несущие барионного заряда. Поэтому о протоне говорят: он абсолютно стабилен.
Но, используя определения типа «абсолютно», физики имеют в виду лишь то, что точность, с которой проводятся опыты на сегодняшний день, не позволяет уловить акты распада того же протона. Эта точность имеет вполне конкретную оценку, на основе которой обычно и делается вывод, что протон имеет время жизни больше, чем 2.1030 лет. Аналогичная оценка существует и для электрона – его время жизни должно превышать 3.1021 лет.
Теперь нам ясно, в каком смысле закон сохранения барионного заряда «сильней» закона сохранения электрического заряда. Практически же можно говорить и об абсолютно точном сохранении зарядов, ведь среднее время жизни и протона и электрона превышает время жизни наблюдаемого участка вселенной (порядка 2.1010 лет)!
Однако приведенное уточнение важно для понимания точки зрения физиков на законы сохранения вообще, идет ли речь о зарядах, импульсе, энергии или других важнейших характеристиках частиц. Всякий закон сохранения не есть какая-то абсолютно непреложная истина, а результат осмысления большого количества экспериментальных данных. Если появляются данные, которые никак нельзя согласовать с тем или иным законом, то его приходится считать приближенным. Тем не менее борьба за каждый закон сохранения идет до самого конца, и тщательно рассматриваются любые идеи, способные его спасти. Вспомним хотя бы историю гипотезы о существовании нейтрино, которая была выдвинута во имя спасения закона сохранения энергии.
Наряду с абсолютными законами сохранения электронного и барионного зарядов, которые играют очень важную и общую роль в наших представлениях о микромире, существуют другие приближенные законы сохранения, на долю которых и выпала главная тяжесть по наведению порядка в чрезмерно разросшейся таблице элементарных частиц.
Еще в 1932 году В. Гейзенберг обратил внимание на поразительную схожесть двух фундаментальных составляющих ядерной структуры – протона и нейтрона. Их массы отличались всего на десятую долю процента. И у него возникало, естественно, подозрение: если протон был бы вообще лишен электрического заряда, то не превратился ли бы он в самый настоящий нейтрон?
И тогда В. Гейзенберг выдвинул интересную идею: протон и нейтрон представляют собой просто различные состояния одной частицы – нуклона. Если вообразить мир, в котором «по мановению волшебной палочки» выключились бы электромагнитные взаимодействия, например, все фотоны объявили бы забастовку и не захотели бы вступать в контакт с электрическими зарядами то у физиков не нашлось бы никакого способа узнать «кто есть кто», – все частицы в ядре выглядели бы на одно лицо. И двуликую природу нуклонов можно установить после этого единственным путем – снова запустить в этот воображаемый мир фотоны и заставить их нести свои важные обязанности по розыску электрических зарядов.
Таким образом, нуклон совмещает в себе представление о двух частицах и как бы расщепляется на протон и нейтрон под действием электромагнитного поля. Аналогичная ситуация имеет место и в случае пи-мезонов. В теории можно рассматривать один пи-мезон, который расщепляется на три наблюдаемых пи-плюс-, пи-ноль– и пи-минус-мезоны – только при включении электромагнитных взаимодействий. Такое же «сокращение» можно провести и для известных ка-мезонов, гиперонов и резонансов.
Благодаря этому адроны с близкими значениями масс, но различными электрическими зарядами удобно группируются и предстают перед нами в более «крупноблочной» классификации: нуклон, пи-мезон, ка-мезон, три типа гиперонов (лямбда, сигма, кси) и так далее. То, что на самом деле каждый из них виден в нескольких состояниях, скажем, сигма-гиперон – в трех, является лишь сравнительно малым эффектом. Действительно, разности масс между различными состояниями частиц по сравнению с величинами самих масс этих частиц-адронов ничтожно малы. Можно считать, что разности масс между нейтральными и заряженными адронами, составляющие не более нескольких процентов от этих масс, как раз и обусловлены электромагнитными взаимодействиями.
Такой взгляд на классификацию частиц не покажется столь уж удивительным, если вспомнить, что аналогичным приемом мы часто пользуемся в повседневной жизни. Нам часто приходится иметь дело с объектами, у которых, как говорится, общее преобладает над различиями. Скажем, два жилых дома, построенных по типовому проекту, могут отличаться окраской панелей и отделкой подъездов, наконец, в одном из них может размещаться магазин, а в другом – нет. Эти отличия очень полезны для ориентации, хотя мы прекрасно понимаем, что перед нами дома-близнецы. И особенно просто почувствовать всю второстепенность указанных отличий, оказавшись вблизи домов-близнецов в незнакомом районе и в позднее время, когда мелкие детали как бы растворяются в темноте…
Электромагнитные взаимодействия, нарушающие полную эквивалентность адронов с близкими значениями массы, но различными зарядами, играют в определенном смысле тоже второстепенную роль.
Анализируя близость свойств протона и нейтрона, В. Гейзенберг высказал идею, что эти частицы должны участвовать в сильных взаимодействиях совершенно симметричным образом, как бы забывая о том, что у одной из них есть электрический заряд, а у другой нет. Впоследствии эта идея была распространена и на все другие адроны и получила название изотопической симметрии. Строгой изотопической симметрии соответствует сохранение особой величины, квантового числа, называемого изотопическим спином.
Но, как мы уже успели убедиться, электромагнитные взаимодействия разрушают эквивалентность в поведении заряженных и нейтральных адронов. Поэтому говорят о нарушении изотопической симметрии в реальном мире и, соответственно, считают, что изотопической спин является лишь приближенно сохраняющимся квантовым числом.
Может возникнуть естественный вопрос: зачем же обсуждать какую-то симметрию законов природы, если она выполняется только в воображаемом мире, а в реальности хоть и сравнительно слабо, но заведомо нарушается?
Этот интересный вопрос затрагивает на самом деле очень глубокие проблемы познания, и он, бесспорно, важен для понимания логики развития физики элементарных частиц, да и любой другой науки.
Физики всегда конструируют воображаемые миры, чтобы глубже постичь закономерности мира реального. Реальность слишком сложна для того, чтобы ее можно было сразу же осознать во всем многообразии. Ученые вынуждены действовать постепенно, шаг за шагом приближаясь к пониманию определенных явлений.
Верно, что в природе нет реального нуклона – это лишь образ, замещающий две частицы (протон и нейтрон), известные нам из эксперимента.
Но ведь в природе нет, скажем, и настоящей окружности в том смысле, как ее понимают геометры. Просто, окружность – это очень полезный и бесконечно привычный образ, с помощью которого мы можем часто с весьма хорошим приближением описывать свойства реальных тел, всегда имеющих хотя бы слабые отклонения от идеальной формы.
В природе нет и «абсолютно твердых тел», которые мы обсуждали в связи со старой моделью электрона-шарика. Однако это весьма полезный образ в механике, который позволяет изучать многие движения с хорошей точностью.
Но вообще-то «вносить в природу» те или иные приближенные образы из конкретных наук надо с осторожностью. Весь многотысячелетний опыт познания говорит о том, что любой самый красивый и, казалось бы, общий научный образ рано или поздно сменяется другим, более красивым и более общим. В свое время активное противодействие представлениям квантовой механики было во многом обязано тому, что в сознании ряда людей, в том числе и физиков, прочно «склеились» образы классической механики и реальный мир. И им трудно было убедить себя в том, что, допустим, траектория электрона вовсе не необходимая принадлежность реального мира, а полезное приближенное средство для описания движения макроскопических тел.
Все это очень важно иметь в виду, обсуждая дальнейшее развитие принципов классификации в микромире.
Изотопическая симметрия заметно упорядочила наши представления, сгруппировав адроны с очень близкими значениями масс. Но, как вы помните, существовали еще и явления, связанные с рождением необычных, странных частиц в строго определенных комбинациях, скажем, попарно. Например, лямбда-гиперон мог родиться только в паре с положительно заряженным или нейтральным ка-мезоном или, наконец, вместе со своим антиподом – анти-лямбда-гипероном. Такие же закономерности прослеживались и в рождении других гиперонов и ка-мезонов. Когда же наступала пора этим частицам распадаться, такой закономерности уже не наблюдалось – любая из них распадалась на обычные адроны, как бы забывая о правилах своего рождения.
Физики отметили интересное обстоятельство – рождение странных адронов идет со значительно большей интенсивностью, чем их распад. Прямые оценки показали, что в первом случае имеет место сильное взаимодействие, а во втором – слабое. Отсюда был сделан важный вывод: странные адроны несут какой-то своеобразный заряд (квантовое число), который сохраняется в сильных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых. Эта квантовое число и было названо «странностью». Нуклону и пи-мезону можно было сопоставить нулевую странность – у них не было таких особенностей в поведении, как у странных частиц.
Лямбда– и сигма-гиперонам, независимо от знака электрического заряда, была сопоставлена «странность» минус единица, а кси-гиперону – минус два. Положительно заряженный ка-плюс-мезон и нейтральный ка-ноль-мезон должны были нести «странность» плюс единица, а их античастицы (ка-минус– и анти-ка-ноль) – противоположную. Такая расстановка нового квантового числа полностью объясняла все экспериментально изученные процессы рождения «странных» частиц.
Когда классификация адронов по «странности» была завершена, перед физиками возникла заманчивая аналогия. Раз протон и нейтрон приближенно оказались разными зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона, то не являются ли нуклон и гипероны, свою очередь, различными по «странности» состояниями одной и той же частицы? Не происходит ли то же самое и с пи– и ка-мезонами?
Для того чтобы поверить в такую возможность, нужно было, конечно, немалое воображение. Ведь симметрия, которая в данном случае могла появиться, была бы нарушена гораздо сильней, чем изотопическая. Это видно хотя бы из того, что разность масс «странных» и «нестранных» адронов не столь уж мала по сравнению с самими величинами масс. Относительная разность может достигать здесь десятков процентов! Теперь уже нарушение новой симметрии нельзя приписать электромагнитным взаимодействиям, а необходимо вводить два типа сильного взаимодействия: предельно сильное и умеренно сильное.
В воображаемом мире, где существует только предельно сильное взаимодействие, все восемь стабильных барионов выглядят как один. Если включить умеренно сильное взаимодействие, то произойдет расщепление на «нестранные» нуклоны и «странные» гипероны – мы как бы увидим 4 типа частиц. И наконец, если включить электромагнитное взаимодействие, то произойдет более полное расщепление, и перед нами предстанут все восемь барионов с различными значениями электрического заряда и «странности».
Нечто подобное произойдет и с восемью стабильными мезонами (тремя пи-, четырьмя ка– и эта-мезонами): в мире предельно сильного взаимодействия они будут на одно лицо, будто это одна частица. По мере включения умеренно сильных и электромагнитных взаимодействий единый мезон будет все сильней расщепляться, пока не появятся все 8 реальных частиц.
Именно с такой идеей группировки адронов и выступили в 1961 году М. Гелл-Манн и Ю. Нееман. Предельно сильные взаимодействия предположили они, должны обладать особой унитарной симметрией, так чтобы восемь легчайших барионов и восемь легчайших мезонов участвовали в этих взаимодействиях совершенно симметрично независимо от электрических зарядов и «странности».
В новой системе классификации все наблюдаемые адроны относились к определенному набору, который может включать одну, восемь или десять частиц. Все адроны, в том числе и резонансы, действительно были приписаны к одному из таких наборов. Это привело, конечно, к очень экономичному представлению таблицы элементарных частиц – гораздо более «крупноблочному», чем в случае использования только изотопической симметрии.
Рассматривая каждый набор в воображаемом мире, где учтены только предельно сильные взаимодействия, как единую частицу, можно было затем включить умеренно сильные взаимодействия и оценить возникающее за счет него расщепление масс. Таким способом и были получены соотношения между массами для различных состояний каждого набора. В тех случаях, когда все частицы данного набора были известны, эта операция приводила к удивительно хорошему согласию теории и эксперимента.
Расчет соотношений между массами адронов внутри каждого набора и привел к важному открытию, которое стало основным свидетельством в пользу схемы Гелл-Манна – Неемана.
Дело в том, что, пытаясь укомплектовать набор из 10 барионов, физики столкнулись с небольшой трудностью. Среди известных адронов довольно быстро обнаружились девять хороших кандидатов в эту «десятку». Эти кандидаты представляли собой короткоживущие барионные резонансы: 4 частицы дельта-1232 (это различные зарядовые состояния резонанса, открытого Э. Ферми), 3 сигма-1385 и 2 кси-1530. А вот десятого – «замыкающего» – подыскать не удалось. Его масса была вычислена на бумаге и должна была составлять примерно 1670 МэВ. Были заранее известны и многие другие свойства, например, его «странность» должна была быть равна минус три и электрический заряд минус единице. Но среди известных адронов такая частица не значилась. И только в самом начале 1964 года из Брукхэвенской национальной лаборатории было получено необходимое известие: на одной из 50 тысяч фотографий зарегистрирован каскад из целых семи частиц, связанный с распадом нового гиперона с массой около 1670 МэВ! Новая частица была названа омега-минус-гипероном.
Открытие омега-минус-гиперона укрепило веру в унитарную классификацию, и в настоящее время она считается общепринятой. Это, конечно, не означает, что физикам стало все ясно в адронном мире. Остаются и возможности обобщения, и непонятные проблемы.
Дело в том, что с математической точки зрения и изотопическая симметрия В. Гейзенберга, и унитарная симметрия, предложенная М. Гелл-Манном и Ю. Нееманом, являются различными формами унитарных симметрии общего типа. Вторая оказывается просто симметрией более высокого типа, чем первая; именно поэтому она и позволяет объединять частицы в более крупные наборы, «блоки», и часто называется Высшей Симметрией.
А не могут ли проявиться еще более высокие унитарные симметрии адронов? Такую возможность никак нельзя исключить. Ведь схема Гелл-Манна – Неемана основана на сохранении только двух квантовых чисел – электрического заряда и «странности».
В 1964 году американские теоретики Дж. Бьеркен и С. Глешоу ввели в рассмотрение новый точный или приближенный закон сохранения, соответствующий особому квантовому числу – «очарованности». Такая возможность открывала путь к более высокой симметрии сильных взаимодействий и позволяла преодолеть некоторые проблемы предшествующих моделей.
Едва ли не главная из этих проблем состояла в том, что схема классификации Гелл-Манна – Неемана допускала существование удивительных наборов из 3 частиц. Просто не обращать внимания на эти наборы было нельзя, так как они играли фундаментальную роль для указанной схемы. Но частицы в этих наборах должны были иметь столь необычные свойства – в частности, дробные электрические и барионные заряды, – что включить их в рассмотрение было не так уж просто. Итак, либо новый закон сохранения, либо совершенно необычные частицы…
Впрочем, проблема этих удивительных частиц оказалась глубже, чем можно представить себе, рассуждая о том или ином варианте унитарной классификации.
Высшие симметрии микромира часто сравнивают с красивым замком. Действительно, группировка огромного количества адронов по определенным свойствам напоминает своеобразную архитектурную работу – все элементы выстраиваются в какую-то четкую взаимосвязанную конструкцию, которая воспринимается гораздо легче, чем отдельные разбросанные элементы. Такое упорядочивание, по сути дела, означало создание спасительного ковчега, позволившего пережить трудные времена резонансного потопа, но его вполне разумно сравнивать и с возведением замка.
Но тут-то в ответ на необычайную щедрость природы, которая ввела в микромир свыше 200 адронов, физики решили проявить предельную экономичность, граничащую со скупостью. Этот шаг, к обсуждению которого мы сейчас переходим, привел к тому, что в замке высших симметрии замаячили настоящие призраки…
