Охотники за частицами

Видимо, нет: природа — очень аккуратный работник. У нее не бывает так, чтобы кирпич одного сорта выходил из печи то с недовесом, то с перевесом. Сколько бы она ни выпускала, скажем, электронов — никакой, даже самый придирчивый контролер не заметит в них ни малейшего отличия.

Раз другая масса, значит, другое поведение частицы, значит, и сама частица иная. За примером недалеко ходить: в группе лептонов вместе с электроном и позитроном физики поселили мю-мезон. (Правда, мю-мезоны по свойствам так резко отличаются от остальных мезонов, что физики все чаще называют их мюонами, чтобы даже приставка «мезон» не связывала их с «настоящими» мезонами.)

Мы уже говорили, что мюоны решительно ничем не отличаются от электронов — разве что только массой. Но это «разве что» — очень важно! Мюон, в отличие от электрона, — неустойчивое изделие природы и стремится как можно быстрее избавиться от «довеска» массы. Это ему удается спустя миллионные доли секунды (смотри предпоследнюю колонку переписи). После чего он действительно перестает отличаться от электрона.

Но почему же мю-мезон, почти на 206 электронных масс тяжелее электрона, попал с ним в одну группу, а пи-мезон, который тяжелее мю-мезона всего лишь на 68 единиц массы; оказался совсем в другой группе? Тут в ход идет другое важнейшее свойство частиц — спин. Мы уже говорили, что это дополнительный момент количества движения частицы: внешне похожий на вращение частицы вокруг «собственной оси». Теперь же надо сказать, какой водораздел он проводит в мире частиц.

Уже давно физики попытались разделить все известные частицы на две категории — частицы основные и частицы вспомогательные. К основным они отнесли электрон, протон и нейтрон, к вспомогательным — фотон и пи-мезоны. Основным частицам было уготовано райское устойчивое существование, а вспомогательным — адская работа: бегать почтальонами от одной основной частицы к другой, чтобы они узнали о существовании друг друга.

Фотоны должны были метаться между всеми электрически заряженными частицами, более солидные пи-мезоны — только между протонами и нейтронами. Вспомогательные частицы, таким образом, объявлялись переносчиками взаимодействий между частицами.

Каждому виду взаимодействия было приписано свое поле, а соответствующие частицы считались квантами этого поля. Так фотоны стали квантами электромагнитного поля, а пи-мезоны — квантами ядерного поля.

Таблица

Продолжение

Продолжение

И природа, чтобы как-то пометить кванты этих полей, отличить их от «настоящих» частиц, придала им спины, отличные от спинов основных частиц. Она сделала этот спин либо вдвое больше, чем у многих настоящих частиц, — например, спин фотона, эта-мезона, либо вообще не выделила им кванты, как у пи- и ка-мезонов.

Впоследствии эта довольно ясная картина затуманилась. Вспомогательные частицы, как оказалось, могли при достаточной энергии не более и не менее, как рождать основные частицы! И вообще, вопрос о том, что главнее — частица или квант, — пришлось снять с повестки дня.

И частицы и кванты оказались одинаково главными: поле смогло превращаться в вещество, а вещество — в поле. Так что сегодня физики уже безо всяких споров соглашаются с великой истиной, что поле и вещество — совершенно равноправные формы существования материи.

Но равноправие не исключает различия. И мерилом этого различия служит величина спина. Она «целая» (0; 1 и так далее) у известных к настоящему времени квантов, и «полуцелая» (¹/₂, ³/₂, ⁵/₂, ⁷/₂ и так далее) у известных частиц.

Вот почему пи-мезоны отделены высокой стеной от соседних им мю-мезонов. Стена эта, конечно, не мешает соседям общаться: мы знаем, что свободный от работы в ядре пи-мезон охотно позволяет себе принять облик соседа — мю-мезона. Однако при исполнении служебных обязанностей он этого никогда не делает. По спиновому признаку в ту же группу попадают и ка-мезоны, и более тяжелые мезоны.

В группе барионов (к ней относятся и гипероны) все частицы «настоящие» — у них у всех «полуцелые» спины.

И все-таки, что ни говори, а природа в этом мире тоже любит разнообразие. На почти сотню разных частиц она запасла только немногим больше десятка разных квантов. Видимо, решила: и этого хватит для обмена сообщениями. Почтальонов должно быть меньше, чем адресатов!

Разные почтальоны — разные сообщения. Одни передаются телеграммой-молнией: мелькнул пи-мезон от протона к нейтрону, и нет его. Ученые прикинули то время, за которое переносятся сообщения в ядрах: 10^–23 секунды.

Мы видели, что за это ничтожное время могут происходить весьма энергичные события. За посылку сообщения нейтрону протон должен заплатить изрядную энергетическую сумму — по меньшей мере энергию покоя пи-мезона!

Физики назвали такие взаимодействия частиц сильными.

Другие сообщения передаются обычными телеграммами. Их носят фотоны — как и на настоящем телеграфе. Послало ядро сообщение своему электрону или пара электронов решила познакомиться в атоме — и побежал фотон. Приблизительно через 10^–17 секунды телеграмма доставлена.

Срок дольше — оплата ниже. Фотон стоит уже только сотни или тысячи электрон-вольт, а не сотню миллионов, как пи-мезон. Названия этому виду взаимодействий придумывать уже не пришлось: они давным-давно уже именовались электромагнитными.

Сообщение можно послать и с письмом. С кем? Увы, почтальон еще себя не обнаружил. Сначала думали, что это — нейтрино, а потом от этой мысли пришлось отказаться: нейтрино явно не квант, у него «полуцелый» спин. Сегодня предполагают, что на роль кванта такого поля может претендовать некая довольно тяжелая частица. Сейчас ее усиленно ищут.

Однако известно, сколько примерно времени идет письмо. Это зависит от солидности адресата. Сравнительно легкие мю-мезоны получают сообщение примерно за 10^–6 секунды, чуть более солидные пи-мезоны, а также ка-мезоны — примерно за 10^–8 секунды, а тяжелые гипероны — еще в сто раз быстрее.

Все они, получив это сообщение, ведут себя одинаково — кончают счеты с жизнью, распадаясь на более легкие частицы. Что они получают в этом драматическом сообщении? Пока что неизвестно. Однако, если не считать цены жизни частицы, такие сообщения стоят довольно дешево — тысячные и меньшие доли электрон-вольта.

Физики с полным основанием назвали такие «распадные» взаимодействия слабыми.

Наконец, есть еще один вид посылки сообщений, не нашедший отражения в нашей таблице. Он самый старый. Открыл его Ньютон, и по тем временам уместно сравнить его с посылкой известия с гонцом.

Едет-едет гонец, а конца пути все не видно. Оттого и стоит посылка известия с ним дешевле всех других видов почты.

Это — гравитационное взаимодействие, тяготение. Кто гонец? Должно быть, особые кванты — гравитоны. Пока что их никто не уловил: слишком ничтожно между легчайшими частицами гравитационное взаимодействие по сравнению с остальными. Поймать гравитоны, видимо, гораздо труднее, чем даже рекордно неуловимое нейтрино!

Великое белое пятно в физике — гравитация! Стирать его, по сути дела, физики начинают лишь в самые последние годы. И пока еще им нечем похвастаться, а нам не о чем писать. Этот разговор мы отложим, что называется, до лучших времен.

Классификация взаимодействий, как выяснилось, очень помогла классификации частиц. Многие тайны раскрыли «нескромные» почтальоны!