Текст книги "Охотники за частицами"
Автор книги: Виталий Рыдник
Жанры:
Физика
,сообщить о нарушении
Текущая страница: 15 (всего у книги 17 страниц)
– Нет, это не экзамен. Я просто подвожу вас к главной мысли. А что, если все эти неустойчивые частицы и те, что вы считаете частицами, все эти гипероны, и те «резонансы», которым вы отказываете в праве на такое название, что, если они есть возбужденные состояния нескольких основных частиц?
Теперь экспериментатора прóняло.
– Вот это мысль! Замечательная мысль. Возбужденное состояние – большая энергия, и, значит, большая масса, и чем более возбуждено состояние, тем меньше времени частица живет в нем! Здорово! Но… Простите, а как вы устанавливаете родственные связи между «резонансами» и частицами? Ну вот этот резонанс – тот самый, что открыл Ферми, – возбужденное состояние какой частицы он собой представляет?
Теоретик разводит руками к вящему разочарованию собеседника.
– Пока трудно сказать. Материалу мало. Надо еще досконально узнать, на какие частицы распадаются этот и другие «резонансы»; узнать все их «устойчивые» признаки – массу, барионный заряд, электрический заряд, спин, изотопический спин, странность – и даже четность. А вот уже после этого можно толковать…
«Резонансы» получают гражданство
Автор не зря привел этот вымышленный разговор. Описанная в нем идея сыграла важнейшую роль в деле классификации обитателей микромира. К переписи наряду с «настоящими» частицами на полных правах были допущены и «резонансные».
Продукты их распада? И тут обнаружилось интересное свойство «резонансных» частиц: они могли подчас распадаться многими различными путями. Чем-то похоже на бассейн со многими трубами, расположенными на разной высоте, в который вместо воды наливается энергия.
Влились, скажем, по двум трубам энергии пи-мезона и протона, а в две или три другие трубы ускользнули два или три новых пи-мезона. А еще больше энергия налетевшего пи-мезона, и уровень энергии в бассейне может подняться до такой трубы, через которую эта энергия «выльется» в виде уже ка-мезонов. А когда уровень энергии оказывается на такой высоте, где нет труб, эта энергия уходит по той же трубе, по которой пришла, в виде того же пи-мезона.
«А то, что труб много, – это хорошо! – заключили физики. – Можно устроить перекрестный допрос новорожденных частиц и кое-что надежно узнать об их родителях».
И действительно, многое узнали – в первую очередь, те самые «устойчивые» признаки, по которым должна вестись классификация. Но теоретики даже и не ожидали, пока им «на блюдечке» поднесут весь необходимый материал. Спотыкаясь, ошибаясь, они все же шли тернистой дорогой, и на ней нередко опережали экспериментаторов.
Вспомним изотопический спин. Он позволил близкие по массе частицы классифицировать как разновидности одной и той же частицы. Этим был сделан первый шаг к внесению порядка в перепись частиц.
Теперь предстояло делать следующий шаг – объединять эти «изотопические мультиплеты» в более крупные группы, «супермультиплеты». Тут уже один лишь изотопический спин помочь не мог.
Трудность состояла не только в том, что еще не были окончательно выяснены «семейные отношения» среди частиц. Не было также никаких сведений о том, из скольких членов должна состоять каждая «семья». Экспериментаторы мало что могли сказать по этому поводу. Впрочем, с самого начала было ясно, что существуют по крайней мере три достаточно обособленные друг от друга разновидности «семей» – лептонные, мезонные и барионные. Это нашло отражение и в таблице переписи частиц.
Относительно лептонных семей физики и по сей день ничего сказать не могут. Вся группа лептонов малочисленна по сравнению с такими «кланами», как мезоны и барионы. Казалось бы, поэтому в ней легче разобраться.
Ничуть не бывало! Как ни парадоксально, физики до сих пор не могут вообще понять, почему существует эта группа «в легчайшем весе». Все известные им законы микромира не позволяют даже допустить ее существование!
Конечно, лептоны не перестанут существовать оттого, что физикам они совершенно непонятны. Очевидно, здесь действует какая-то очень глубокая и важная закономерность. И почти наверняка прорыв в эту область в ближайшие годы принесет физикам новое поразительное знание.
А вот в гораздо более многочисленных группах «полутяжелого веса» и «тяжеловесов» сегодня дело обстоит более обнадеживающе. Разумеется, многочисленность этих групп, включение в них «резонансов» нисколько не облегчили задачу теоретиков.
Помог здесь удачно найденный способ пасьянса, а новые «карты» оказались весьма кстати в том, что заполнили многие пустые места в «колоде». Этот новый метод классификации частиц получил условное название «восьмерок».
Итак, единицы, двойки и тройки нам уже известны – это обычные мультиплеты частиц с изотопическим спином нуль, половинка и единица. О восьмерках нам и предстоит дальнейший разговор.
До сих пор мы рассказывали о классификации частиц по таким признакам, как масса, электрический заряд, барионный заряд, обычный и изотопический спины. Но она никак не удавалась.
«Не те признаки!» – решили в 1961 году уже известный нам Гелл-Манн и израильский ученый Нееман. Надо выбросить из игры все признаки, оставив лишь изотопический спин и странность.
Тогда останутся четыре величины. Не удивляйтесь: сам изотопический спин – величина сложная, она состоит из трех величин. Вам придется это принять на веру: объяснять это слишком сложно.
Итак, в распоряжении теоретиков четыре величины. Что с ними делать? Добавить к ним еще четыре!
Это очень смело. Работать одновременно с четырьмя величинами, да еще имеющими столь туманный физический смысл, и так нелегко, а тут еще к ним прибавляется столько же новых. И смысл их еще более темный. Ясно лишь, что они имеют значение в некотором роде спина, но не спина обычного, и не спина изотопического. Даже названия новой четверке величин физики еще не придумали.
Становится восемь величин. Но наши теоретики знают как будто бы, что делают. Эти восемь величин выбраны ими не случайно.
Тройки, восьмерки…
Они образуют очень интересную группу. Математики называют ее группой унитарной симметрии третьего порядка.
За этими «темными» словами кроется очень важное свойство: входящие в такую группу величины определенным способом взаимосвязаны, могут переходить друг в друга. Иначе говоря, если в такой группе каждая комбинация всех восьми величин связана с некоей частицей, то все семь остальных комбинаций отвечают таким частицам, которые связаны с первой общим происхождением! Тогда, исходя, например, из известных масс одних частиц в группе, можно предсказывать массы других, еще не открытых частиц в той же группе.
К этому и велась вся работа, «ни капли не пахнущая физикой», но до предела насыщенная сложнейшей математикой.
А с группами величин математики уже умеют работать. В том числе и с той группой, что называется группой унитарной симметрии.
Итак, в каждой такой группе восемь величин, восемь разных частиц, связанных тесными родственными отношениями. Какие же это частицы? А это уже можно достаточно определенно установить.
Вот, например, группа мезонов. В ней три пи-мезона и четыре ка-мезона – всего семь. А нужно восемь: того требует восьмеричная группа. И она же предсказывает свойства этого недостающего восьмого мезона: спин нуль, электрического заряда нет, изотопический спин, понятно, тоже нуль, чтобы частица была одна-одинешенька, масса примерно 1100 электронных масс.
И в том же 1961 году, когда было сделано предсказание, экспериментаторы обнаружили этот мезон. Все оказалось так, как предрекли теоретики! Вплоть до величины массы: она оказалась равной 1080 электронным.
Те из ученых, которые приняли вначале мысль Гелл-Манна более чем прохладно, теперь бросились по его пути. В течение последующих двух лет с помощью новооткрытых «резонансов» была построена вторая восьмерка мезонов. Известные же барионы, как видно из рисунка, сами, «без нажима», уложились в восьмерку.
А затем настала очередь «резонансов» с массами, почти в три тысячи раз превышающими массу электрона. К тому времени теоретики выяснили, что в этой группе должно быть уже не восемь, а десять частиц. В изменении этой численности повинен спин: все частицы в этой группе должны иметь спин не половинку, а три вторых.
Кстати говоря, это были первые открытые частицы со спином, превышающим единицу. Частицы в группе должны были расположиться уже не шестигранником, а треугольником. Первый его этаж образовывали четыре дельта-гиперона, второй этаж – три «резонансных» сигма-гиперона (более тяжелые, чем «обычные» сигма-гипероны, они, в отличие от первых, обозначены в таблице переписи цифрами при символе, а тот же символ подчеркивает, что они родственники «обычным» сигма-гиперонам). Третий этаж должны были заселить два кси-гиперона (тоже с номерами, чтобы отличить их от «обычных», более легких родственников), и крышу… а крыша пустовала! Домик резонансных гиперонов, оказывается, стоял недостроенным.
Когда Гелл-Манн в 1962 году начал разбираться в этой «десятке», он сразу обратил внимание на это обстоятельство. И не только обратил внимание, но и попытался рассчитать свойства частицы, которую следовало поселить на крыше. Эта частица, как и ее поселившиеся ниже соседи, должна была оказаться со спином 3/2. Кроме того, она должна была иметь отрицательный электрический заряд, изотопический спин 0, наподобие найденного ранее эта-мезона с массой 1080 электронных. Но вот масса нового гиперона, который Гелл-Манн окрестил омега-минусом (Ω–), должна была составлять уже не 1080, а почти 3300 электронных масс!
И, что еще очень важно, эта частица должна была быть не «резонансной», а «настоящей». Ей предсказывалось время существования, обычное для гиперонов, – примерно десятимиллиардные доли секунды.
Но это же означало, что омега-гиперон можно искать! Он за время своей недолгой жизни оставит все же где-нибудь след. Например, в пузырьковой камере, установленной поблизости от места его рождения.
И эксперимент по поимке новой частицы начался. Нелегкий эксперимент. Протоны следовало бомбардировать ка-мезонами, причем очень внушительной энергии – не менее десятка миллиардов электрон-вольт. Ка-мезоны сами по себе редкость, на многие тысячи пи-мезонов они попадаются чуть ли не поштучно. А тут надо было с помощью такой редкости добыть еще большую частицу, которая, несмотря на гигантскую работу физиков, все еще ни разу не показалась им на глаза.
Эксперимент по поимке омега-гиперона длился около года. И, наконец, в начале 1964 года, после просмотра почти ста тысяч фотографий, снятых в пузырьковой камере, на одной из них удалось обнаружить долгожданное уникальное явление. Эта фотография на стр. 247. А рядом с ней – схема, позволяющая разобраться в путанице следов частиц на фотопленке.
…И тузы
Так… Новый пасьянс на сей раз увенчался солидным успехом. Не случайно открытия новой частицы физики ожидали, по словам одного из них, «словно присутствуя в тот момент, когда яблоко падало к ногам Ньютона».
Неужели открытие омега-гиперона имеет такое же значение, как открытие Ньютоном всемирного тяготения, о чем повествует известная легенда о яблоке? Мы далеки от того, чтобы сравнивать эти два события. Но все же открытие предсказанного заранее омега-гиперона составляет эпоху в физике частиц.
Впервые в физике микромира появляется убедительная система новых частиц. Впервые их перепись приобретает очертания законченности, порядка. И это должно сыграть не меньшую роль, чем для химии и физики – открытие Менделеевым периодического закона химических свойств атомов.
Эта аналогия не случайна. Еще до Менделеева делались попытки свести в какую-то систему свойства химических элементов. Один из химиков того времени нащупал тройки близких по свойствам элементов, например тройку из лития, натрия и калия (только спустя много лет выяснилось, что на самом деле это не тройка, а шестерка: к ней добавились еще три более тяжелых химических элемента). Другой расположил элементы по восьмеркам так, что в следующей восьмерке элементы повторяли химические свойства предыдущей. Это уже было ближе к истине. И лишь гениальная догадка Менделеева свела воедино эти разрозненные попытки в замечательную систему.
В современной физике частиц наблюдается нечто подобное. Сначала единицы, двойки и тройки изотопических мультиплетов. Затем восьмерки и десятки супер-мультиплетов. Что же последует дальше?
Не надо придавать особого значения «магии» чисел. Из того, что восемь – ключевое число периодической системы химических элементов (восемь типов валентности), вовсе не следует, что оно столь же «магическое» число и в мире частиц.
Разные миры – разные законы.
Объяснить химическое значение восьмерки смогла квантовая механика. Именно она доказала, что на самой внешней электронной оболочке атома не может быть более восьми электронов. А эти-то электроны и ответственны за химическое поведение атомов.
В мире частиц квантовой механике приходится куда труднее. Здесь, видимо, совсем иные закономерности, нежели в мире атомов. Здесь она, как правило, вынуждена не решать проблемы в лоб, а прибегать к обходным маневрам. Один из таких маневров – обращение ее к группам унитарной симметрии.
Да уже и не к одной группе третьего порядка. Совсем недавно, в 1964 году, трое физиков-теоретиков – Гюрши, Паис и Сакита – предложили «дополнить» группу третьего порядка «обыкновенным» спином частиц – тем самым, что приведен у нас в переписи. Группу пришлось расширить – теперь она стала группой унитарной симметрии шестого порядка.
Одно время высказывались опасения, что эта группа не пролезет в физический «рай» сквозь те узенькие врата, о которых мы уже упоминали в главе, посвященной позитрону. Эти врата – требование релятивистской инвариантности. Не думайте, что те математические постройки, которые сегодня возводят физики, автоматически застрахованы от неудачи! Нет – на каждом шагу их нужно проверять. И только буквально несколько месяцев назад ученые облегченно вздохнули: удалось доказать, что эта группа проходит сквозь врата инвариантности.
Порядок выше – группа многочисленнее. Группа шестого порядка включает уже 35 мезонов и 56 барионов. Ряд предсказываемых ею частиц еще не открыт, но за ними сейчас ведется энергичная охота. Возрастание порядка группы – это, если можно так выразиться, больший порядок в мыслях и представлениях физиков о мире сверхмалых частиц.
Изотопический и «обычный» спины, унитарная симметрия – и в итоге почти что сотня частиц. Из какого же семени разросся этот многоцветный букет частиц? Есть ли среди них основные, фундаментальные частицы, частицы-производители, родившие все остальные в результате тонкой и сложной игры сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействий?
Примерно десять лет назад японский физик Саката высказал мысль: такие фундаментальные частицы есть. И назвал их: протон, нейтрон и ламбда-гиперон. Они по многим причинам подходили на эту роль. И особенно, казалось, эта мысль и этот выбор исходных частиц подтверждаются с открытием и изучением слабых взаимодействий в последующие годы.
Но вот незадача: из этой тройки частиц должны были возникать группы, состоящие из 6 и 15 частиц. А такие группы на опыте никак не удавалось обнаружить.
Поэтому физики отложили гипотезу Сакаты, тем более что потом ее заслонили группы из восьмерок и десятки частиц. Но история повторяется.
В последнее время снова большое место в мыслях физиков заняла гипотеза о фундаментальных частицах – трех китах, на которых стоит микромир. Но это уже не те частицы, которые предлагал Саката. Среди известных частиц этих нет.
Авторы новой гипотезы Гелл-Манн и Цвейг называют эти частицы по-разному: один – «кварками», другой – «тузами». Ну, вот, теперь в пасьянсе появляются и тузы, «карточная колода» частиц, кажется, приобретает законченный вид.
«Тузы» воистину удивительны – не массой, не спином, а другими признаками. Оказывается, такие величины, как барионный заряд и странность, для них должны быть дробными! Что ж, может сказать читатель, этому дивиться бы не стоило: обе упомянутые величины введены физиками чисто условно, за ними нет наглядного физического смысла.
Ладно, допустим, что читателя не удивит вытекающее отсюда и из закона сохранения барионного заряда, скажем, такое положение: «в каждом взаимодействии должна сохраняться треть туза!» Но можно надеяться, что у него все же вызовет изумление такое свойство «туза»: его электрический заряд тоже должен быть дробным, составляя 2/3 или 1/3 от заряда электрона.
Можно полагать, что читатель, почерпнувший из всех учебников твердую уверенность в том, что электронный заряд есть самый маленький заряд на свете, уже более не дробимый, будет все же заинтригован. Может быть, он даже скажет, как некий посетитель зоопарка, впервые в жизни увидевший жирафа: «Быть такого не может!»
Во всяком случае, «тузов» еще никто не обнаружил. Возможно, из-за предсказываемой немалой их массы: они должны быть не менее чем в 6000 раз массивнее электрона. А самые тяжелые из найденных пока что «резонансных» частиц по массе только еще подбираются к 4000 электронным.
Все может быть. Но, может быть, окажутся правы и те из сегодняшних физиков, которые, сжав в тисках голову, сидят в своих кабинетах и бормочут наподобие сумасшедшего Германа из пушкинской «Пиковой дамы»: «Тройка, восьмерка, туз, тройка, восьмерка, туз!»
Самые глубокие глубины
Вот так и сняла современная физика вопрос об «элементарности» частиц микромира. И в последние годы ученые вообще избегают пользоваться в применении к частицам словом «элементарный».
Стало совершенно неоспоримым, что все частицы имеют некую внутреннюю структуру. Но ее не понимают так, будто бы частицы сами состоят из каких-то еще меньших субчастиц.
Нет, структура частиц – нечто зыбкое, текучее, постоянно меняющееся, то, что определяется всеми взаимодействиями, в которых участвует частица, всеми распадами, которые она может претерпеть, всеми частицами, которые она может породить.
И обратно, все взаимодействия, распады и рождения определяются структурой самих частиц. Оторвать одно от другого невозможно.
В самом деле, частиц без взаимодействий не существует, взаимодействий без частиц – тоже. Нельзя в атомном мире запереться на замок и не отвечать на звонки, стать невидимым и неслышимым. Одиночество в этом мире – вещь совершенно немыслимая.
Каким же зондом можно влезть в частицу, чтобы прощупать ее нутро? Каким лучиком осветить ее, чтобы увидеть ее структуру? Увы, мы знаем, что это невозможно. Внутрь частиц заглянуть нельзя. «Частицы абсолютно безнадежно невидимы», – печально молвил как-то американский физик Роберт Хофстадтер.
И он же предпринял замечательные опыты, которые позволили физикам глубоко заглянуть в недра протона и нейтрона! Но, конечно, заглянуть не в буквальном смысле. Хофстадтер сумел обойти препятствие, воздвигнутое на его пути соотношениями неопределенности Гейзенберга.
Впрочем, Хофстадтера натолкнул на идею давно уже покойный Эрнест Резерфорд. Теми самыми опытами, какими Резерфорд убедился в существовании атомного ядра.
Помните? Он посылал на атом целую стаю альфа-частиц и наблюдал, как они разлетались в разные стороны после прохождения сквозь атом. Что творилось при этом в самом атоме, Резерфорд не знал. Но он зато узнал, что положительный заряд в атоме не размазан, а весь сосредоточен как бы в крошечном шарике – в ядре. Узнав, как распределен заряд в атоме, Резерфорд выяснил его структуру.
Подобный опыт решил поставить и Хофстадтер – но уже не на атоме, а на протоне. Альфа-частицы для такого опыта не годились. Никто же не полезет в желудок зондом размерами со всего пациента!
Нужна была частица по крайней мере такая же «простейшая», как протон. Пощупать предстояло распределение электрического заряда в протоне. Значит, частица должна была быть заряженной. И притом заряженной так, чтобы протон не отпихивал зонда, как это часто делают неразумные пациенты.
Наконец, надо было, чтобы частица имела неядерную природу. Иначе при ее встрече с протоном рождались бы мезоны и гипероны. А требовалось, чтобы пациент при обследовании вел себя спокойно.
Что ж, природа предоставила в распоряжение ученого удачные зонды, и в любом потребном количестве. Это электроны.
Чтобы они могли выполнить свое назначение, их все же надо было загонять в тело пациента силой. Мы помним, что пациенты – протоны в атомах водорода – окружены отталкивающей наш зонд электронной же одеждой. Хофстадтер выбрал линейный ускоритель электронов того типа, который некогда соорудил швейцарец Видероэ, сначала на энергию 550 миллионов, а затем на 2 миллиарда электрон-вольт.
И вот получены первые результаты обследования пациента. Мы их нарисовали на графиках. Левый график отражает распределение электрического заряда в протоне, правый – в нейтроне.
Распределение электрического заряда в протоне.
Распределение электрического заряда в нейтроне. Видно, что оно гораздо сложнее, чем в протоне, образуя как положительно, так и отрицательно заряженные области.
Да, да, в нейтральном нейтроне полным-полно электричества! Впрочем, физикам это давно было не в диковинку. Уже много лет было известно, что, несмотря на отсутствие видимого электрического заряда, нейтрон сильно магнитен – сила его магнитика составляет более двух третей силы протонного магнитика. И направлением этого магнитика нейтрон как раз отличается от антинейтрона.
Из этого было сделано заключение, что в нейтроне есть электрические заряды, но компенсирующие друг друга. Примерно так, как в атоме. Атом тоже в целом нейтрален, а между тем в нем живут и «плюсовые» ядра и «минусовые» электроны.
Начнем с левой карты обследования. Вся кривая идет выше нуля. Значит, в протоне весь заряд положительный. Он довольно резко обрывается примерно при 2 ферми[3]3
Ферми – ядерная единица длины, названная в честь Энрико Ферми. Она равна 10–13 (одной десятитриллионной доле) сантиметра.
[Закрыть]. Поэтому можно считать, что на расстоянии 2 ферми от центра пролегает довольно отчетливая граница протона.
Из правой карты для нейтрона видно, что у него распределение заряда гораздо сложнее. В самом центре располагается крошечная область положительного заряда, затем идет узенькая область отрицательного, потом опять положительного и, наконец, у наружного края снова отрицательная область, причем заряд в ней уменьшается гораздо более плавно, чем у протона. Граница же нейтрона пролегает при тех же 2 ферми.
Первый вопрос: а из чего, собственно, состоят эти заряды? Носителя положительного заряда меньше позитрона, а отрицательного – меньше электрона физика пока не знает. Да если бы и знала (помните «тузы»?), то это не помогло бы в данном случае: «тузы» куда массивнее протона и нейтрона! Выходит, в протоне есть позитроны, а в нейтроне еще и электроны? Никоим образом. Зададим встречный вопрос.
Протон обменивается с нейтроном и обратно – нейтрон с протоном – пи-мезонами. А если возле протона нет нейтрона? Выходит, нет обмена? Протон перестанет «выделять» пи-мезоны? Стоит появиться нейтрону, и начнется выделение? Разумеется, нет. Разведка протона все время в боевой готовности. Иначе протон и «не узнáет» о появлении нейтрона.
Эта боевая готовность заключается в том, что протон все время испускает и поглощает обратно свои же пи-мезоны. Однако поскольку такой процесс виртуален, он должен заканчиваться «молниеносно» – за время порядка 10–23 секунды. Мы уже об этом не раз говорили.
Протон может каждый раз испускать и по одному пи-мезону, и целые разведывательные отряды из двух, трех и более пи-мезонов, и вообще даже целые «резонансные» частицы. Лишь чем многочисленнее отряд, чем массивнее он или частица, тем быстрее они должны вернуться обратно, тем более близкие окрестности к центру протона они прощупывают. Одиночные же разведчики пи-мезоны могут уйти, и это мы видим из графика, на расстояние порядка 1–2 ферми.
Вот вам и разгадка внешнего слоя электрического заряда протона. Он состоит из облаков виртуальных положительных пи-мезонов. Протон словно укутан в мезонную «шубу».
Под «шубой» укрылась довольно плотная часть протона. Физики назвали ее керном. Из чего он состоит?
А здесь полезно привести вполне современную поговорку физиков: «Нет такого виртуального, чтобы не стало реальным!» Выбрасывает протон при энергичном столкновении реальные ка-мезоны и гипероны, значит, виртуально они содержатся в нем. Появляются антипротоны, значит, и они, как это ни трудно вообразить, виртуально живут в их смертельном враге.
Все эти частицы и образуют, видимо, керн протона. Это понятно – масса и энергия покоя у них гораздо больше, чем у пи-мезонов. На виртуальное рождение их протон должен затратить большую энергию. А раз так, тем меньше времени и в тем меньшем объеме пространства они могут существовать.
«Видимо» же мы сказали потому, что сегодня о керне, в отличие от пи-мезонной «шубы», еще почти ничего не известно.
Мезонная «шуба» нейтрона богаче: она построена как из положительных, так и отрицательных пи-мезонов. Мезоны выполняют двоякие обязанности.
С одной стороны, они несут электрический заряд и осуществляют электромагнитные взаимодействия.
С другой, переносят ядерные взаимодействия.
Значит, электромагнитный и ядерный размеры «шубы» должны совпадать.
На деле же получается, что электромагнитная «вата» далеко вылезла за пределы ядерного «сукна». Долго недоумевали физики, как могла природа сшить такую нескладную «шубу». А потом решили, что «сукно» еще наставлено «меховой» оборкой из двух сортов новых мезонов, гораздо более массивных, чем пи-мезоны.
Это знакомые нам по переписи «резонансы» – нейтральный омега-мезон и «троица» из нейтрального и противоположно заряженных ро-мезонов. (Просьба не путать этот омега-мезон с тем омега-гипероном, о котором была уже речь. Оба они обозначаются одной и той же греческой буквой, но мезон – маленькой, а гиперон – большой. Это видно в нашей «переписи» частиц.)
О керне нейтрона также нет единодушного мнения. Одни считают его в целом заряженным положительно, другие – заряженным отрицательно. Вероятно, в его состав входят пары из нейтрона и антинейтрона, а может быть – и пары из протона и антипротона. Более определенного мнения пока нет.
Вот пока и все, что известно о структуре протона и нейтрона. Мало?
Сравните с «точкой», о которой нечего было сказать еще десять лет назад! «Разъять» протон – это не разнять матрешку, в которой обнаружится еще десяток таких же матрешек мал мала меньше!
Почти частица!
Как-то один из охотников за частицами сделал своим сотрудникам остроумный рождественский подарок. Под праздничной оберткой они обнаружили красиво раскрашенную… спичечную коробку. На ней была надпись: «Внутри – целая сотня нейтрино». Коробку открыли – она оказалась пустой…
И все же надпись была совершенно правильной. Любой такой объем на Земле, занят ли он воздухом, водой или камнем, содержит примерно сотню нейтрино. Они пронизывают его со скоростью света по всевозможным направлениям, столь же бесперебойно, как бесперебойно светят Солнце и звезды, распадаются радиоактивные ядра и неустойчивые частицы, рожденные космическими лучами в атмосфере. Для нейтрино не существует преград.
Нейтрино не имеют ни барионного, ни обычного электрического заряда, ни массы. Они не испытывают ни ядерных, ни электромагнитных, ни гравитационных взаимодействий. Они чистейшие представители слабых взаимодействий. И столь же всепроникающи, как эти взаимодействия.
Нейтрино движутся со скоростью света, не будучи фотонами.
В раскаленных глубинах звезд, где голые атомные ядра сшибаются в бешеной пляске, рождая новые ядра, где полным ходом идут термоядерные реакции – источник света и тепла от звезд, – рождаются полчища нейтрино. Они вырываются сквозь колоссальные толщи звездного вещества, которое для них куда более прозрачно, чем для собственного звездного света. Вырываются в мировое пространство, чтобы пролететь чудовищные расстояния и исчезнуть за какими-то неведомыми пределами.
Одинокие равнодушные странники, они не дарят миру ни тепла, ни света. Они не отдают холодному межзвездному миру ни капли из той огромной энергии, которую уносят с собой из звезд. А эта энергия действительно огромна: из нашего Солнца нейтрино уносят чуть ли не одну десятую всей излучаемой им энергии. Этой энергии хватило бы, чтобы зажечь сорок тысяч лун на земном небосводе!
А может быть, эта поражающая воображение картина выглядит вовсе не так. Может быть, нейтрино вовсе не такой равнодушный странник, как его сегодня изображают физики. Может быть, но тогда истинная картина, когда она откроется, наверняка поразит наше воображение еще сильнее…
О нейтрино физики догадывались уже тридцать лет назад. Поймать его удалось лишь восемь лет назад, после пятилетней напряженной подготовки охотничьей экспедиции. Изучать по-настоящему нейтрино начали лишь в самые последние годы.
В лице пи-мезонов физики впервые столкнулись с вещественными квантами, имеющими массу покоя. В лице нейтрино физики впервые встретились с частицей, имеющей вещественный «полуцелый» спин – и никаких других вещественных признаков.
Нейтрино не квант слабых полей: об этом ясно говорит его «полуцелый» спин. Нейтрино не вещественная частица: у него нет массы покоя, и он движется лишь со скоростью света.
Что же такое нейтрино? Сверхфеноменальная частица мира, где феноменальное встречается на каждом шагу? Этот вопрос стал одним из центральных в современной физике.
Крушение закона сохранения четности в слабых взаимодействиях немедленно подорвало веру физиков в то, что нейтрино и антинейтрино одинаковые частицы. Зеркальное изображение нейтрино оказалось не во всем похожим на нейтрино. Оно оказалось воистину зеркальным.
Спин нейтрино, как выяснилось, «смотрит» туда, куда движется частица, а спин антинейтрино – против движения. Антинейтрино, если говорить словами шутливой песенки про кузнечика, летит «коленками назад».
Некоторые физики любят сравнивать нейтрино со штопором. У штопора, как известно, правая нарезка. Момент импульса штопора при его ввинчивании в пробку, – какие серьезные слова для такой веселой операции! – направлен туда же, в пробку, то есть совпадает с направлением движения самого штопора. Это нейтрино.
Левше, понятно, пользоваться таким штопором неудобно. Природа пожалела его и создала «антиштопор» с левой нарезкой. Теперь момент импульса «антиштопора» направлен в руку, хотя сам «антиштопор» по-прежнему уходит в бутылку. Это антинейтрино.
Правая и левая нарезка, или, как говорят физики, «спиральность» – вот то единственное отличие, которое проводят сегодня ученые между нейтрино и антинейтрино. Так – они убеждены – и действует «кривое» зеркало природы. Рейнс и Коуэн в действительности поймали не нейтрино, а антинейтрино!
