Файл: Мякишев Г.Я. Элементарные частицы.pdf

•ношению к распадам ведут себя не как одна частица, а как две с различными способами распада, разными вре­ менами жизни и даже с несколько различными массами. Только это не К0- и /С°-частицы, а К.1 и /("-мезоны, кото­ рые вы можете видеть в таблице элементарных частиц. Природа одним способом разделяет нейтральные /(-мезо­ ны при рождении и совершенно другим — при распаде. Вряд ли в этой книжке можно достаточно ясно расска­ зать, в чем здесь дело. Тем не менее попробуем хотя бы отчасти пояснить ситуацию.

По отношению к слабым взаимодействиям К°- и К°-ие- зоны должны вести себя как одна частица. Поэтому каж­ дый нетральный Л'-мезон, готовый распасться, можно представить, как смесь из Кй- и К°-мезонов. Вернее, как две различные смеси, имеющие разную комбинированную четность. Вот объяснить, что это такое, как раз самое трудное.

Помните? Комбинированная четность сохраняется. Это значит, что если заменить частицы античастицами н от­ разить всю картину в зеркале, то после такой двойной операции все события в микромире должны протекать так, как и до проведения этих операций. Так вот величи­ ны, характеризующие в квантовой механике состояния ча­ стиц (они называются волновыми функциями), ведут се­ бя по-разному при операции замены частиц на антича­ стицы с одновременным зеркальным отражением. В од­ них случаях волновая функция не меняется вовсе — чет­ ность положительна, а в других случаях она меняет знак— четность отрицательна.

Состояние K°L-мезона можно представить символиче­ ски как сумму состояний равной интенсивности К0 - и К°- мезонов:

а состояние K°s -мезона — как разность тех же состояний равной интенсивности1 :

житель. Его смысл мы здесь выяснять не будем.

112

Различаются К^- и K°s -мезоны именно комбиниро­ ванной четностью: у K°L -частицы она положительна, а у

К °s -частицы — отрицательна.

Частицы же, различающиеся комбинированной четно­ стью, должны вести себя при распадах по-разному. К$- мезоны могут распадаться на два я-мезона, ибо система из двух я-мезонов имеет положительную четность, а /<^- мезон — только на три я-мезона, ибо четность системы из трех я-мезонов отрицательна. Комбинированная чет­ ность должна при слабых взаимодействиях сохраняться.

Различие в каналах распада приводит к различию во временах жизни.Ka L -мезоны почти в сто раз живут доль­

Эти символические равенства простым образом получа­ ются из предыдущих.

Все сказанное отнюдь не плод странной фантазии. Эксперимент говорит, что именно так и есть на самом деле.

Допустим, что при столкновении быстрых я- -мезонов с протонами мишени рождаются /(°-мезоны. Это частицы со странностью + 1 , и они не могут, сталкиваясь с протона­ ми, рождать Л°-гипероны. Но что произойдет дальше? К°- мезон — это смесь K°L- и -частиц. K°L -мезоны быстро распадаются, и на расстоянии в несколько метров от мише­ ни останутся только K°s -мезоны. Теперь учтем, что K"s - мезоны — это смесь К0- и /("-мезонов в равных количест­ вах. Значит, на расстоянии в несколько метров от мише­ ни мы будем иметь равное число К0- и /("-мезонов. Но К°- мезоны могут реагировать с протонами второй мишени, достаточно удаленной от. первой, давая Л°-гипероны. А ведь вначале /("-мезонов в пучке не было. Все это в точ­ ности наблюдалось на опыте.

Фактически получается, что слабые взаимодействия способны в вакууме превращать /С°-мёзоны в /("-мезоны и обратно:

К0 2 К0.

Это возможно из-за того, что в слабых взаимодействиях странность не сохраняется.

Удивительные события на этом не прекращаются. За второй мишенью число /("-мезонов меньше числа- ./("-мезо­ нов, так как часть /(° прореагирует с протонами. Значит, пропорция между К0 и К0, при которой они давали чис­

Необычно здесь все до крайности. В макромире это соответствовало бы следующей картине. Из рощи вылете­ ла стая серых ворон. Но в этой стае каждая ворона — это, в сущности, смесь в равной пропорции орла и ястре­ ба. По дороге ястребиная часть ворон вымирает и дальше летят уже орлы, которых, однако, вдвое меньше, чем бы­ ло ворон раньше. При этом каждый орел—это смесь се­ рой и белой вороны в равных количествах. Во второй роще часть белых ворон погибает. Вылетает серых во­ рон больше, чем белых. А это в свою очередь означает, что появились ястребы, давно погибшие возле первой ро­ щи. Сплошная фантасмагория. Тем не менее для /("-ме­ зонов все происходит на самом деле именно так.

Новое потрясение. Летом 1964 г. стало известно о но­ вых исследованиях, которые снова (уже в какой раз!) потрясли фундамент теории элементарных частиц. Опять отличились нейтральные /(-мезоны. На расстоянии в 19.и от мишени, в которой происходило рождение пучка К°- мезонов, наблюдался их распад на два я-мезона, а не на три, как это должно было бы быть. Причем наблюдалось это с малой вероятностью (около 0,2%), но все ж е — бес­ спорно.

На таком большом расстоянии /(^-мезонов не-могло быть. На два я-мезона распадались, следовательно, К$ -

114

ях. Недавно установленный закон сохранения наруша­ ется.

В чем здесь дело, пока не ясно. Высказывают предпо­ ложение, что этот распад вызван особыми, сверхслабыми силами. Но что это за силы? Никаких других проявлений этих сил пока не обнаружено.

Согласно существующей теории, нарушение ком-бини— рованной четности должно приводить к необратимости по времени явлений в микромире. Это уже одно из самых фундаментальных потрясений основ, которое когда-либо происходило в физике.

Со времени нового открытия прошло около девяти лет, но пока окончательно ничего выяснить не удалось.

Универсальность слабых взаимодействий. Жизнь странных частиц прекращается слабыми взаимодействи­ ями. Без них эти частицы были бы не менее стабильными, чем электроны и протоны.

Уже говорилось, что слабые взаимодействия универ­ сальны, присущи всем частицам. Но они столь медленно работают, что не могут конкурировать с ядерными и элек­ тромагнитными силами. Не могут в тех процессах, кото­ рые способны протекать под действием более мощных сил природы. Но в двух случаях именно слабые взаимодей­ ствия являются решающими. Это процессы, в которых рождаются нейтрино, и процессы, в которых изменяется странность. Здесь остальные взаимодействия бессильны. Нейтрино не испытывает никаких взаимодействий, кроме слабых, а странность не может изменить ничто, кроме слабых взаимодействий. Все эти процессы идут с одной внутренней скоростью, определяются одной и той же кон­ стантой взаимодействия.

Откуда берется такая универсальность, при которой абсолютно разные превращения характеризуются одной и той же константой связи? Это стало проясняться только

впоследнее время.

Вслабых взаимодействиях согласно современным

представлениям всегда участвуют четыре частицы с полу­ целым спином-у, четыре фермиона, как часто называют

такие частицы. Универсальность слабых взаимодействий состоит в том, что взаимодействие любых двух фермионных пар построено одинаковым образом и характеризует­ ся одной и той же константой связи. Нужно только, чтобы

каждая пара взаимодействующих фермионов содержала одну заряженную и одну нейтральную частицу. Лептоны группируются в свои пары (электрон — электронное ней­ трино, |л-мезон — мюонное нейтрино), а барионы в свои. Но в каждой такой паре слабое взаимодействие одно и то же.

В случаях распада нейтрона и |д,-мезона четырехфермионный характер взаимодействия очевиден. Все четыре взаимодействующих фермиона налицо. Однако это не

мионным взаимодействием, но только она идет в два этапа. На первом этапе, ничтожно малом по времени, я + - мезон виртуально рождает пару протон — антинейтрон. И уже затем слабое взаимодействие превращает эту пару в ц-мезон и мюонное нейтрино:

Слабое четырехфермионное взаимодействие

ТС+ -> р + П -Э- |А+ + Чр.

Сильное

взаимодействие

Промежуточная стадия этой реакции не наблюдается и поэтому четырехфермионный характер взаимодействия оказывается замаскированным. Сходным образом обсто­ ит дело и при других реакциях.

Частица, о которой известно все, кроме того, сущест­ вует ли она. Обратили ли вы внимание на то, что все пре­ дыдущие типы взаимодействия осуществлялись посредст­ вом тех или иных полей, точнее, посредством обмена кван­ тами соответствующих полей. Слабое взаимодействие в современной трактовке является исключением. Считается, что все четыре фермиона взаимодействуют в одной точке без всяких посредников.

Так ли это на самом деле? Может быть, существует поле слабых взаимодейсгвий и, соответственно, существу­ ют кванты этого поля, — еще один вид элементарных ча­ стиц? Да, была высказана гипотеза, согласно которой вза­ имодействие между парами фермионов осуществляется с

116

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ,

самая короткая, посвящается самым короткоживущим час­ тицам

Сколько их, куда их гонят?

А. С. ПУШКИН

« Б Е С Ы»

Самые короткоживущие. Наряду с 35 довольно долго живущими частицами есть еще образования, живущие столь мало, что их обычно не решаются называть элемен-. тарными частицами. Это резонансы. Термин «резонанс» говорит скорее не о природе частиц, а о способе их обна­ ружения. Число резонансов огромно. Уже сейчас оно дав­ но перевалило за две сотни и продолжает неуклонно расти.

Весьма примечателен способ, с помощью которого они были открыты. Живут резонансы Ю - 2 2 — Ю - 2 3 сек. За это время пройденный ими путь лишь очень незначительно превышает диаметр нуклона. Здесь уже ни о каких сле­ дах в камере Вильсона или пузырьковой.камере не при­ ходится и мечтать.

118

Живут резонансы столь мало потому, что ни один за­ кон сохранения не мешает им распадаться под влиянием сильных взаимодействий. Их время жизни является есте­ ственным .для сильнс взаимодействующих частиц.

Как же сумели обнаружить резонансы и измерить их ничтожное время жизни?

И неуловимое можно обнаружить. В 1960 г. группа сотрудников Калифорнийского университета (США) с помощью пузырьковой камеры изучала реакцию между быстрыми /(-мезонами, полученными на ускорителе, и протонами жидкого водорода внутри камеры. Реакция протекала по схеме (рис. V ) :

*К- + р -» Л° +ТС+ + iz- .

Было получено несколько сотен фотографий треков уча­ ствующих в этой реакции частиц. Затем с помощью вычи­ слительной машины была подсчитана зависимость числа рожденных я+- и я~-мезонов от их энергии.

Занялись этим не случайно. Именно таким образом можно было надеяться обнаружить сверхкороткоживущие частицы.

Идея такова: если бы при столкновении К~ и р рожда­ лось сразу три частицы, как это видно на фотографиях, то энергия я+-мезонов могла бы принимать самые различ­ ные значения: от близкого к нулю до некоторого макси­ мального, допускаемого законом сохранения энергии. На­ чальная энергия /С~мезона и протона распределялась бы между рождающимися частицами различными способами.

В действительности оказалось, что кривая зависимо­ сти числа рожденных пионов от энергии имела резкий максимум (рис. 13). Большая часть мезонов рождалась с вполне определенной энергией.

Объяснить это можно единственным образом. На пер­ вом этапе исследуемой реакции рождаются только две частицы:

Кг + р -> г - + *+..

При этом законы сохранения энергии и импульса од­ нозначно определяют энергию каждой частицы. Стало быть, я+-мезоны должны рождаться с определенной энергией.

119