Охотники за частицами

Но что теоретику до каторжного труда экспериментатора!

— Ну и что, есть что-нибудь новенькое?

— Да вот, видите ли, опять эти горбики…

Теоретик рассматривает кривую рассеяния, построенную экспериментатором.

— Да, опять эти резонансы. И довольно много их… Впрочем, знаете что? Присаживайтесь-ка. Мне тут одна идейка в голову взбрела. Давайте-ка потолкуем.

Экспериментатор покорно садится. Не очень-то он любит, когда теоретик проверяет на нем свои заумные идеи. Но довольно часто оказывается, что теоретический «бред» удивительно хорошо объясняет факты, добытые на опыте, и правильно подсказывает экспериментатору, где и что нужно искать. Так что все-таки интересно узнать…

— Так вот, слушайте. Мне пришло в голову, что ваши горбики на кривых, это… новые частицы!

Такое действительно не каждый день услышишь! Экспериментатор изумлен.

— Да, да, не изумляйтесь. Вот вы сами скажите, что такое частица, по вашему мнению?

— Частица? Гм… Ну, как вам это сказать… Ну, вот, скажем, электрон. Он имеет массу, заряд, кроме того, спин. И еще вот что: он устойчив.

— Хорошо. А, скажем, мю-мезон? Он тоже имеет заряд, массу, спин… только живет миллионную долю секунды. Так что же, разве это не частица?

— Нет, почему же, частица.

— А ка-мезон: он живет еще в сотни раз меньше? А гипероны — они еще в сотню раз быстрее распадаются? Они тоже частицы?

— Мы полагаем — частицы.

Теоретик словно передразнивает:

— «Мы полагаем»! Тогда почему же мы — и я в их числе — не можем допустить, что ваши «резонансы» — это тоже частицы, только совсем уж мгновенно исчезающие? Живущие еще в триллион раз меньше, а потому и необнаружимые!

— Гм, собственно говоря, дело для нас именно в этом. За триллион-триллионную долю секунды своей жизни ваша «частица» никуда не уйдет, никакого следа не оставит.

— А для того чтобы вы поверили в частицу, вам обязательно нужно, чтобы вы увидели оставленный ею след?

— Ну, в общем, это как-то привычней.

Теоретик торжествует:

— Вот то-то и оно — привычней…

Но экспериментатор далеко еще не убежден.

— Погодите, а где масса, заряд, спин у вашего резонанса?

— Не беспокойтесь, все есть. Масса — это та самая энергия пи- или ка-мезона, при которой вы видите «резонанс» на кривой. Ведь массу можно получить из величины энергии по старой формуле Эйнштейна. Есть и заряд — только прямо вы его не измерите: слишком мало живет частица. А об измерении спина и говорить нечего. О том и о другом можно судить лишь по тем частицам, которые родятся в момент смерти вашего «резонанса».

— А! По тем дополнительным частицам, которые у меня появляются в рассеянном пучке мезонов.

— Вот-вот.

— Но, погодите, раньше ведь думали, что эти «резонансы» — лишь на мгновение слипшиеся новые частицы. Ну, например, два или три пи-мезона или, скажем, ка- и пи-мезоны.

— Ну и думайте себе на здоровье! От этого ведь ничего не изменится. А я могу думать, что это совершенно новые частицы. Причем вникните: эти частицы породило поле, которое само родилось от этих частиц.

Экспериментатор улыбается:

— Ну, этим вы меня не удивите. «Круговорот поля и вещества в природе» — это я и сам знаю. Вы вот предскажите из своей идеи новые, еще не открытые резо… то бишь, частицы. Найдут их, вот тогда я вам поверю.

— Об этом я сейчас и думаю.

— И придумали?

— Как будто что-то проясняется… Вот смотрите, есть у вас ядра какого-либо элемента, и бомбардируете вы их, скажем, протонами достаточно большой энергии. А затем изучаете, как эти протоны рассеиваются.

— Об этих опытах мир уже тридцать лет знает. Они во всех учебниках физики описаны. Сами читали.

— Верно — читали. Да не вникли. Есть там горбы на кривых рассеяния?

— Сколько угодно. Но ведь эти горбы отвечают тому, что ядро, проглотив протон и с ним солидную энергию, перешло в возбужденное состояние. А потом оно выбросило, например, протон и гамма-фотоны и что-нибудь еще и вернулось обратно в исходное состояние. А протон при этом потерял часть энергии и полетел в сторону — рассеялся.

Теоретик улыбается:

— Вижу, дело мы знаем. Ну, а сколько времени ядро живет в возбужденном состоянии?

— По-разному. В одном состоянии — миллиардные доли секунды, в другом — уже тысячные. Все зависит от состояния. И лишь в нормальном, самом низком по энергии состоянии, неограниченное время. Да что это вы меня экзаменуете?

— 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…

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.