ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 97
Скачиваний: 0
Как следует из закона сохранения энергии, для получения антипротона требовался уско ритель протонов не менее чем на 6 Гэв. Такой ускоритель, специально построенный в на дежде на получение антипротона, был пущен в 1954 г. в Брукхевене. А уже через год, в октя бре 1955 г., существование антипротонов ста ло надежно установленным эксперименталь ным фактом.
В 1956 г. была найдена античастица для другой составной частицы ядра — нейтрона — а н т и н е й т р о н . В дальнейшем мы встре тимся еще с многими другими античастицами. Напомним только, что все известные в на стоящее время элементарные частицы, за исключением двух (фотона и пи-ноль-мезо- на), имеют свои античастицы.
НЕМНОГО ИСТОРИИ
Кначалу 30-х годов нашего столетия, кроме фотона, были известны лишь
две элементарные частицы — электрон и протон. В 1932 г. был открыт нейтрон, а затем появилась вскоре подтвердившая ся гипотеза Гайзенберга— Иваненко о том, что ядра атомов состоят из прото нов и нейтронов. Это сразу же постави ло вопрос о характере сил в ядре, обес печивающих его устойчивость. Силы, связывающие протоны и нейтроны в яд ре, как на это впервые в 1934 г. обратил внимание советский ученый И. Е. Тамм, должны передаваться с помощью осо бых частиц— квантов ядерного поля, подобно тому как силы между электри чески заряженными частицами пере даются с помощью квантов электромаг нитного поля — фотонов.
Уже |
в 1935 г. |
вопрос об |
этих части |
цах, впоследствии |
названных |
п и-м езо- |
|
н а м и, |
теоретически был |
рассмотрен |
|
японским физиком Юкавой, |
который не |
||
только предсказал их, но и правильно оценил их массу. Из развитой им теории следовало, что масса пи-мезонов должна быть порядка 3- 10 ~25 г, что приблизи тельно в 300 раз превышает массу элек трона (масса электрона 9,1 • 10-28 г).
Тогда еще не было ясного экспери ментального подтверждения существова ния частиц с такой массой. Сам Юкава сомневался в правильности своего выво да. В той же статье, в которой была опу бликована его теория, он писал: «Так
57
как квант с такой большой массой в экспери ментах никогда не наблюдается, вышеизло женная теория, кажется, находится на лож ном пути». Однако уже в те годы широко изу чались способности заряженных частиц кос мических лучей проходить *через вещество.
Особенно серьезно и последовательно в этом направлении работали американские фи зики К- Д. Андерсон и С. Г. Недеймайер. Экс перименты, поставленные ими, были исклю чительно трудными при тогдашнем состоянии экспериментальной техники. Андерсон еще в 1932 г. зарекомендовал себя, сделав серьез ное открытие, из которого неопровержимо вы текало существование позитрона. И вот на основании своих исследований, проводив шихся на протяжении ряда лет (1934—1936), он вместе с 11едеймайером пришел к заключе нию, что в космических лучах присутствуют частицы с положительным и отрицательным электрическими зарядами, имеющие массу, значительно превышающую массу электрона и в то же время меньшую, чем масса протона. Они были названы м е з о н а м и — частица ми со средней массой. Естественно их было отождествить с предсказанными Юкавой пимезонами.
После многолетней обработки эксперимен тальных данных в 1945 г. удалось установить, что средняя масса мезонов в 172 раза боль ше массы электрона. Однако не исключалась возможность, что масса этих частиц состав ляет от 100 до 300 электронных масс. К тому же в 1947 г. было обнаружено, что эти мезо ны почти не взаимодействуют с ядрами веще-
58
ства и поэтому не могут быть носителями ядерных сил. Степень поглощения мезонов в веществе свидетельствовала о том, как это убедительно показали Э. Ферми, Э. Телер и В. Ф. Вайскопф, что мезоны космических лу чей могут быть носителями сил, в 1013 раз сла бее ядерных! По этим причинам пришлось от вергнуть гипотезу о том, что мезоны космиче ских лучей есть носители ядерного взаимодей ствия. Их назвали мю-мезонами. Как затем было установлено, масса мю-мезона в 206 раз превышает массу электрона.
Так была открыта частица, которую вна чале приняли за предсказанный Юкавой пимезон. Существование мю-мезона еще до сих пор не понято современной физикой. Свойства этой частицы настолько похожи на свойства электрона, что мю-мезон скорее надо было бы назвать тяжелым электроном, чем мезоном.
Действительные носители ядерных сил были открыты в том же 1947 г. английским физиком К. Поуэллом, после того как им был значительно усовершенствован метод толсто слойных фотопластинок. Причина столь затя нувшихся поисков пи-мезонов заключалась не только в несовершенстве экспериментальной техники, но и в том, что пи-мезон имеет почти в 100 раз меньшее время жизни, чем мю-мезон, и его просто не смогли раньше .заметить на фоне большого количества мю-мезонов. В тол стослойной пластинке вдоль следа заряжен ной частицы появляются ионы, которые обра зуют скрытое изображение следа в эмульсии, наподобие того, как при воздействии света на фотопластинку образуется скрытое изображе-
59
иие светового пятна. После проявления пла стинки вокруг того места, в котором образо вался ион, появляется черное зернышко. Со вокупность этих зернышек отмечает след заряженной частицы. Следы частиц в фото эмульсиях могут многое рассказать о заря женной частице. Например, степень отклоне ния следа от прямой линии говорит о харак тере воздействия вещества эмульсии на пролетающую частицу, а изменение количества зерен вдоль следа — об изменении скорости частицы. Дело в том, что при замедлении ча стицы ее способность образовывать ионы воз растает. Поуэлл с сотрудниками исследовал множество следов, оставленных заряженны ми частицами космических лучей в эмульсиях фотопластинок. Среди них были такие, кото рые свидетельствовали о том, что какая-то ча стица, быстро затормозившись, распадалась, давая начало следу другой заряженной ча стицы.
Поуэлл назвал первую частицу пи-мезоном в отличие от другой, которая оказалась от крытым ранее мю-мезоном.
Масса пи-мезона была найдена в резуль тате тщательного исследования продуктов его распада и оказалась равной 273 электронным массам. Свойства открытого Поуэллом пи-ме зона позволили отождествить его с предска занной Юкавой частицей-носителем ядерных сил. Так, через 11 с лишним лет после пред сказания была найдена частица, которую очень долго искали и которая только одна
могла объяснить характерные черты ядерных сил.
60
Итак, к 1947 г. были открыты все частицы, нужные для объяснения известных к тому вре мени сведений о строении вещества. Были от крыты электроны, образующие оболочку ато мов, протоны и нейтроны, составляющие ядро атома, и фотоны и пи-мезоны, ответственные за силы, связывающие атом и его ядро. Других частиц не требовалось. Обнаруженные неожи данно мю-мезоны оказались даже «лишними».
Однако , природа продолжала демонстри ровать новые неожиданности. В 1947 г. ан глийские ученые Дж. Д. Рочестер и К- С. Бат лер среди большого количества событий, про исходящих в камере Вильсона под влиянием космических лучей, обнаружили два, которые можно было интерпретировать как факты об разования и распада какой-то нейтральной частицы с массой, приблизительно в 1000 раз большей массы электрона. Несколько лет спустя Поуэлл с сотрудниками обнаружил в космических лучах заряженную частицу с приблизительно той же массой. Определен ные указания на существование в космиче ских лучах частиц с массой в 950 электрон ных масс получили в те годы и советские физики во главе с А. И. Алиханяном. Неожи данность появления частиц с такой массой по служила поводом к тому, чтобы окрестить их
«странными». |
время |
термин |
« с т р а н н ы е |
||||
В настоящее |
|||||||
ч а с т и ц ы » |
окончательно |
закреплен |
за це |
||||
лой группой элементарных |
частиц |
и |
даже |
||||
введена новая |
числовая |
характеристика — |
|||||
« с т р а н н о с т ь » |
для |
обозначения |
степени |
||||
странности |
каждой из |
них. |
Все «странные» |
||||
61
частицы образуются в ядерных реакциях при энергиях налетающих частиц выше чем 1 Гэв. Источником высокоэнергетических частиц вплоть до 1953 г. были только космические лучи. Но космические лучи — источник очень слабой интенсивности. Кроме того, чем выше энергия космической частицы, тем она реже появляется у поверхности Земли.
Понятно, что космические лучи в силу их свойств не могли служить надежным постав щиком достаточно быстрых частиц, которые только одни и могли порождать странные частицы. Если бы физикам пришлось довольст воваться только космическими лучами, исто рия открытия новых элементарных частиц сильно затянулась бы. Однако к тому време ни развитие техники и появление опыта кон струирования ускорителей высоких энергий достигли достаточного уровня. В 1953 г. был создан первый такой ускоритель в Брукхевен- ,ской национальной лаборатории. Он способен ускорять протоны до энергии в 3 Гэв. Начи ная с этого момента, появилась возможность получать странные частицы в лабораторных условиях.
ТРУДНОСТИ С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ
Наш далеко не полный и весьма схе матический рассказ об истории
открытия первых элементарных частиц, их необычных и удивительных свойств не оставляет уже никаких сомнений в том, что эти микрообъекты никак нельзя счи тать элементарными в старом смысле этого слова, неизменными «кирпичиками» материи. Чем же руководствовались фи зики, относя открываемые все новые и новые частицы к семье элементарных? Даже этот вопрос, который не требует четкого определения, что представляет собой элементарная частица, не столь уж прост.
По-прежнему называя частицы эле ментарными, мы имеем в виду то обстоя тельство, что на данном историческом этапе развития учения о материи менее сложные частицы нам не известны. Ра зумеется, что это в основном правильно. Только, вероятно, не совсем понятно, за чем природе, для которой, как обычно принято считать, характерно стремление к простоте, понадобилось такое обилие элементарных частиц, число которых не прерывно растет, и неизвестно, когда, наконец, этот процесс завершится. Труд но поверить, что все известные ныне, столь различные по своим свойствам ча стицы в одинаковой степени элементар ны.
Иногда называют элементарными ча стицы, структура которых на данном историческом этапе не установлена.
63
