Файл: Мякишев Г.Я. Элементарные частицы.pdf

Начало периода «смуты» в физике элементарных ча­ стиц. Поиски увенчались успехом, но не сразу. Очень бы­ стро, через год после предсказания Юкавы, на фотогра­ фиях космических лучей в камере Вильсона обнаружили следы новых частиц. Это были положительно и отрица­ тельно заряженные частицы, масса которых примерно в 207 раз превосходила массу электрона. Никто вначале не сомневался в том, что это и есть мезоны Юкавы. Их стали исследовать, и здесь открылись странные вещи.

Если мезон является квантом ядерного поля, то он должен очень энергично взаимодействовать с атомными ядрами, состоящими из протонов и нейтронов. Опыты же показали, что новые частицы (их стали называть мго-ме- зонами или мюонами) проявляют совершенно непонятное равнодушие к нуклонам. Они способны только к электро­ магнитным взаимодействиям и совершенно не склонны принимать участия в сильных взаимодействиях. Мю-ме- зон оказался не той частицей, за которую его сначала приняли и которая была жизненно необходима для объ­ яснения мира. Поэтому ее открытие положило начало эпохе «смуты» в физике элементарных частиц. Мюон ока­ зался ближайшим, очень богатым по массе, но короткоживущим «родственником» электрона. Только зачем ну­ жен электрону такой «родственник», неясно по сей день. Впрочем об этой частице мы еще поговорим в дальней­ шем. Это не единственная частица, существование кото­ рой представляется нам сейчас прихотью щедрой при­ роды.

Пи-мезоны. Наконец с большим опозданием, только в 1947 г., были открыты как раз те мезоны, которые пред­ сказал Юкава. Эти частицы были названы я-мезонами (пи-мезон) или пионами. Взаимодействовали они с ядра­ ми очень энергично.

Как и предсказывала теория, оказалось, что есть я- мезоны трех сортов: положительно заряженные, отрица­ тельные и нейтральные. Масса нейтрального я-мезона равна 264,2 электронных массы, а положительных и отри­

Все я-мезоны активно участвуют в ядерных взаимо­ действиях. Но лишь я°-мезонами свободно обмениваются

60

*»

как протоны, так и нейтроны. я+-мезон виртуально мо­ жет быть испущен только протоном, а поглощен только нейтроном. я~-мезоны, напротив, могут испускаться толь­ ко нейтронами, а поглощаться только протонами. При обмене заряженными мезонами протон и нейтрон превра­ щаются друг в друга.

Мезонная «шуба» нуклонов. Итак, нуклоны взаимо­ действуют посредством ядерного поля, состоящего из вир­ туальных я-мезонов. Одиночный нуклон также создает

как протонов, так и нейтронов, подобно тому как испус­ кание и поглощение фотонов — основа «жизнедеятельнос­ ти» электрически заряженных частиц.

Каждый нуклон обладает ядерным зарядом, точнее, константой сильных взаимодействий, величина которой характеризует быстроту процесса испускания и поглоще­ ния мезонов и определяет величину ядерных сил. Как уже было отмечено, ядерные взаимодействия в 100 раз интенсивнее электромагнитных. Соответственно мезоны поглощаются и испускаются нуклонами в 100 раз быст­ рее, чем фотоны электрическими зарядами. Характерное ядерное время составляет Ю - 2 3 сек.

Нуклон всегда окружен довольно плотным облаком заряженных и нейтральных мезонов, как говорят физики, мезонной «шубой». Если бы ядерное взаимодействие вы­ ключилось, то нуклон оказался бы «голым».

Структура нуклонов. На самом деле взаимодействие нуклона с мезонами нельзя никоим образом выключить.

ми. Незаметно переходим к структуре элементарной час­ тицы. Как в свое время начали исследовать структуру атома, так теперь на повестке дня стал вопрос о структу­ ре элементарной частицы. Однако эта новая проблема является значительно более сложной.

Атом просто состоит из электронов и ядра. Протон же отнюдь не построен из мезонов. Он непрерывно рождает и вновь поглощает мезоны, но не состоит из них. Тем не менее сложная структура частицы налицо.

61

Мезонное облако имеет конечные размеры. Хотя мезо­ ны являются виртуальными, их никак нельзя назвать не­ существующими. Просто их поглощение и испускание происходит невероятно быстро. Им лишь не хватает энер­ гии, чтобы обнаружить себя в качестве реальных частиц. При столкновении быстрых протонов мезоны вырываются из окружающих протоны облаков и уже существуют в ви­ де самостоятельных частиц. За счет кинетической энергии протонов они получают энергию, «достаточную для бы­ тия».

Для исследования распределения заряда в нуклонах применялась бомбардировка их очень быстрыми электро­ нами. Но почему быстрыми? Вот почему. Надо исследо­ вать структуру нуклонов, размеры которых порядка Ю - 1 3 см. Но электроны имеют волновые свойства. Длина электронных волн тем мень­

ше, чем больше импульс электронов. Чтобы исследо­ вать структуру объекта, не­ обходимы волны длиной, обязательно меньшей разме­ ров самого объекта. Иначе вследствие дифракции вол­ ны будут огибать объект и никаких его деталей нельзя

Нуклон окружен пи-мезонной «шубой».

62

будет обнаружить. Оказалось, что для исследования структуры нуклонов электроны должны иметь энергию не меньше 100 млн. зв. Такая энергия может быть сообщена электронам специально сконструированными ускори­ телями.

Почему в качестве снарядов были выбраны именно

можно определить размеры.нуклона и даже рассчитать распределение заряда внутри заряженной сферы. Так

внутри нуклона именно электрического заряда. Исполь­ зование же в качестве снарядов сильно взаимодействую­ щих частиц почти ничего не может дать, так как мы в деталях не знаем, как они должны рассеиваться ядерны­ ми силами.

Опыты показали, что внутри протона плотность заря­ да постепенно спадает от центра к периферии. На рас­ стоянии 1,4- Ю - 1 3 см от центра плотность заряда уже мож­ но считать равной нулю (рис. 7).

Нейтральный в целом нейтрон содержит внутри себя заряженные слои, в которых плотность заряда меняется сложным образом.

Весьма примечательно во всем этом то, что, несмотря на размазанность заряда в пространстве, от него нельзя

на. Не только я-мезоны структурно входят в состав ну­ клона. Немалую роль должны играть и другие частицы. Но об этом позднее.

Семейства сильно взаимодействующих частиц. Ядер­ ные силы действуют между нуклонами. Но протон отли­ чается от нейтрона электрическим зарядом и массой. Приводит ли это к тому, что протон-протонные, нейтроннейтронные и протон-нейтронные силы различны?

Точные эксперименты по рассеянию нуклонов друг на друге показали, что ядерные силы, если - отвлечься от некоторых деталей, одинаковы для любой пары нуклонов. Электрический заряд не оказывает влияния на эти силы.

63

Существует, как говорят, зарядовая независимость ядер­ ных сил.

Этот важнейший факт позволяет по-новому взглянуть на протон и нейтрон. Если бы не электрический заряд у протона, то как можно было бы их различить? По отно­ шению к сильным взаимодействиям они ведут себя абсо­ лютно одинаково. У них одинаковый спин. Даже неболь­ шое различие в массах и то имеет электромагнитное про­ исхождение. Исчезни электрические заряды, и массы стали бы одинаковыми. Тогда протон от нейтрона нельзя было бы отличить.

Все это позволяет выразить уверенность, что протон й нейтрон — это, в сущности, не две разные частицы, а од­ на, но только в различных зарядовых состояниях;

Протон и нейтрон — не единственный пример близне­ цов, различающихся лишь своими электрическими одеж­ дами. Три я-мезона отличаются тоже только электриче­ скими зарядами, и за счет этого заряженные и нейтраль­ ный мезоны имеют очень мало различающиеся массы. Их тоже можно считать одной частицей в разных зарядовых состояниях.

В дальнейшем мы увидим, что все без исключения сильно взаимодействующие частицы объединяются в группы, так называемые зарядовые мультиплеты. Части­ цы, входящие в тот или иной зарядовый мультиплет, раз­ личаются только зарядовым состоянием. Принадлеж­ ность к тому или другому мультиплету — важнейшая от­ метка в паспорте элементарной частицы. Объединение отдельных частиц в мультиплеты обнаруживает некото­ рые элементы единства в слишком уж раздробленной картине элементарных частиц.

Физики, однако, не ограничились объединением час­ тиц в мультиплеты. Они стремились глубже проникнуть в сущность этого объединения. В процессе решения этой проблемы была введена новая величина — изотопический спин /. Что это за величина и какова ее роль в система­ тизации элементарных частиц?

Изотопический спин. Каждому зарядовому мульти­ плету сопоставляется определенное значение изотопиче­ ского спина. Если мультиплет содержит одну частицу, то изотопический спин считают равным нулю. Мультиплету из двух частиц (например,- дублету нуклонов, состояще­ му из протона и нейтрона) приписывается изотопический

64

спин / = - у , мультиплету из трех частиц (например, три-'

мультиплет входит п частиц, то ему приписывается изо­ топический спин

/ = 4 - 1 ) .

Ну а причем здесь спин? Если иметь в виду обычный спин, т. е. собственный вращательный момент, то ни при чем. Сходство ограничивается лишь тем, что формальный математический аппарат, описывающий зарядовую неза­ висимость сильного взаимодействия с помощью введения

. изотопического спина, такой же, как и для обычного ме­ ханического спина. Вспомним, что если спин равен '/г в

ном могут находиться в двух различных спиновых со­

стояниях.

Точно так же изотопическому спину / = /2' соответству­ ет группа из двух частиц, находящихся в разных зарядо­ вых состояниях. Поэтому ничто не мешает нам приписы­ вать каждому из членов изоспинового семейства опреде­ ленное значение «проекции изотопического спина на ось Z». Протону приписать значение проекции Iz=+ /2, а нейтрону — 1 г — —'/г- Правда, речь идет уже о проекциях на координатную ось не обычного пространства, а неко­ его формального изотопического пространства. Не будем, впрочем, во все это углубляться. Суть аналогии между изотопическим спином и обычным спином, надо надеять­ ся, достаточно ясна.

л-мезонное семейство характеризуется изотопическим спином / = 1 . Каждому из мезонов соответствует свое зна­

логию с тем, как частица с целым спином может нахо­ диться в трех различных спиновых состояниях, которым соответствуют значения проекции спина на ось Z, равные + 1, 0, — 1 в единицах А (рис. 8).