Охотники за частицами

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.

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.

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.