Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы - Марк Перельман

Тут естественно было бы задать вопрос: почему мы говорим о виртуальных образованиях вокруг нуклонов, чем электрон хуже? И действительно, вокруг электрона тоже должна образовываться такая шуба, но поскольку его масса мала, то испускать и ловить обратно он скорее всего будет не мезоны, а фотоны, а на меньшие расстояния — и пары электрон-позитрон. О такой шубе электрона мы уже говорили — благодаря ее наличию и возникает черенковское излучение: шуба периодически отрывается от «сверхсветового» в данной среде электрона и превращается в реальный фотон.

Форму форм-факторов нуклонов экспериментально смог определить Роберт Хофштадтер (1915–1990, Нобелевская премия 1961 г.)[41]. Начал он с того, что еще в 1948 г. разработал сцинтилляционный детектор на основе кристалла соли иодида натрия, «легированного» небольшим количеством таллия. При столкновении с таким кристаллом частицы высокой энергии или фотона возникает вспышка света, интенсивность которой пропорциональна энергии частиц или фотона (сцинтилляторами пользовался некогда и Резерфорд, но они были гораздо менее чувствительными). На этой основе Хофштадтер построил сцинтилляционный спектрометр и приспособил его как регистратор углов рассеяния электронов от ускорителя, разгонявшего их до энергии в 500 МэВ, при которой длина волны электрона меньше характерных размеров атомных ядер. Следовательно, ускоритель можно было бы использовать как гигантский электронный микроскоп, позволяющий исследовать структуру ядер: при столкновении с ядром разогнанный электрон в некоторых случаях только отклоняется, как бильярдный шар (случаи, при которых ядро разрушалось, он отбрасывал).

Так Хофштадтеру удалось измерить величину и определить форму многих атомных ядер. Оказалось, что у них примерно одна и та же средняя плотность и объем ядра пропорционален полному числу протонов и нейтронов. Это означает, что в тяжелых ядрах частицы упакованы не более плотно, чем в легких, а почти постоянная плотность ядер оказалась порядка 150 млрд кг на куб. метр (капля воды такой плотности весила бы 2 млн тонн). Но при этом выяснилось, что у всех ядер есть что-то вроде более мягкой «шкуры», именно она и соответствует облаку виртуальных частиц, окружающих ядро.

Когда ускоритель, на котором он работал, был реконструирован и стал разгонять электроны до энергии в 1 ГэВ, Хофштадтер смог перейти к исследованию уже не только ядер, но и структуры протонов и нейтронов. Эту работу он со своей группой выполнил в 1956–1957 годах: были определены размеры такой «шубы» и распределение зарядов внутри обоих нуклонов.

Нуклоны действительно оказались распределенными динамическими образованиями с шубой из облаков виртуальных частиц.

Ну а что будет видно, если залезть в нуклоны еще глубже, т. е. рассмотреть рассеяние более энергичных частиц? В 1969 г. Р. Фейнман, и почти одновременно Дж. Бьеркен (р. 1934), выдвигают партонную (от латинского «партис» — часть) модель нуклона: при глубоконеупругих, т. е. высокоэнергичных и потому чрезвычайно коротких по времени актах рассеяния, нуклон можно рассматривать как совокупность точек-партонов, т. е. при таких энергиях и, соответственно, столь коротких длительностях взаимодействия уже не играет роли, виртуальные ли это образования или нет. Такие акты рассеяния на отдельных партонах (уже не на нуклонах в целом) порождают целые струи вторичных частиц, по составу которых, в принципе, и можно выявить природу самих этих партонов и их распределение по «объему» нуклона. Имеющиеся результаты как будто показывают, что таким партонами являются в основном кварки (о них немного ниже). За это открытие Джером И. Фридман (р. 1930), Генри У. Кендалл (1926–1999) и Ричард Е. Тэйлор (р. 1929) удостоены в 1990 г. Нобелевской премии.

Открытие пионов в 1947 г. произошло таким образом: на экспонированной фотопластинке видно, что некий трек превращается в другой, в известный уже след мюона (тот переходил вследствие распада в видимый след электрона). Таким образом, важно было отметить точку перехода одной частицы в другую: след, во-первых, шел под углом к начальному, а во-вторых, оказывался, если у нее меньше энергии, более толстым. По толщине следа определялась скорость частицы, по длине — время жизни, а если наблюдения шли в магнитном поле, в камере Вильсона, то по радиусу закругления можно было найти отношение скорости и массы.

И вот в 1947 г. К. Ч. Батлер и Дж. Д. Рочестер заметили в камере Вильсона очень странные и слишком длинные следы частиц космических лучей: время жизни нестабильных частиц, согласно принципу неопределенности, должно быть обратно пропорционально энергии, высвобождающейся при распаде частицы, а тут оно было в сотни миллионов раз больше — это уже очень серьезный вызов всей квантовой теории.

Наблюдаемые частицы оказались двух типов: частицы первого типа распадались на два-три пиона, т. е. они сами были бозонами, а частицы второго типа (найденные позже) превращались после испускания пиона в протон или нейтрон, т. е. они были фермионами. Частицы эти, постепенно открываемые во все большем многообразии, но каждая с определенной массой[42], были названы, соответственно, К-мезонами и гиперонами (от греческого «гипер» — над, сверху).

При более детальном изучении оказалось, что существуют К+-и К--мезоны, а также К0 и К0 (частица и античастица, хотя они и не подчиняются уравнению Дирака). Эти самые две частицы, К0 и анти-͞͞К0, могут по пути следования переходить друг в друга, и именно на такой их странной смеси, их интерференции Кронин и Фитч, как мы писали выше, обнаружили сохранение СР- или Т-инвариантности.

Из гиперонов первоначально в 1951 г. был найден нейтральный лямбда-гиперон (Δ), затем в 1953–1954 гг. — несколько более тяжелое семейство сигма-гиперонов (Σ, плюс, минус и электрически нейтральный), и в 1956 г. — еще более тяжелые кси-минус- и кси-ноль-гипероны (Ξ- и Ξ0, отметим сразу же, что положительного кси-гиперона не существует, точнее, положительный электрический заряд имеет анти-кси-минус-частица). Гипероны и нуклоны вместе называются барионами (от греческого «барос» — тяжелый), и у всех них одинаковый барионный заряд.

Первый шаг к теории этих новых частиц сделали в 1951 г. Йосиро Намбу (р. 1921, Нобелевская премия 2008 г.) с соавторами и Абрахам Пайс (р. 1918): они предположили, что странные частицы рождаются обязательно попарно — это фактически означало, что существует какая-то характеристика, положительная у одной частицы пары и отрицательная у другой, которые друг друга уравновешивают, но при последующем распаде эти характеристики пропадают, так как у обычных, нестранных частиц их нет. Таким образом, предполагалось, что есть такая странная квантовая характеристика, которая сохраняется в сильных взаимодействиях и не сохраняется в слабых взаимодействиях.

В 1953 г. эту характеристику уточнили независимо М. Гёлл-Манн[43] и К. Нишиджима (р. 1926) и назвали ее квантовым числом «странность».

Исходным пунктом для их теорий является понятие зарядовой независимости, впервые введенное Гейзенбергом еще в 1932 г.

Суть его состоит в такой группировке частиц, которая подчеркивает их сходство. Например, несмотря на то что протон и нейтрон отличаются электрическим зарядом (протон имеет заряд + 1, нейтрон — 0), во всех остальных отношениях они тождественны. Следовательно, их можно считать двумя разновидностями одного и того же типа частиц, дублетом нуклонов, имеющих средний заряд, или центр заряда, равный ½ Если таких частиц три (например, три пиона), то они образуют триплет со средним зарядом нуль, если одна частица — это синглет, а общее название группы, состоящей из любого числа частиц, — мультиплет.

Однако все попытки так же сгруппировать странные частицы не удавались. Пришлось предположить, что средний электрический заряд мультиплетов их барионов отличается от ½ (среднего заряда нуклонов), а средний заряд К-мезонов равен, в отличие от среднего заряда пионов, не нулю, а — ½, и эти отличия могут быть фундаментальным свойством странных частиц. Странностью как раз и назвали разность между средним зарядом мультиплета и средним зарядом нуклонов +½ (чтобы не возиться с дробями эту разность умножают на 2). Было показано, что странность сохраняется во всех реакциях с сильным и с электромагнитным взаимодействиями, поэтому странные частицы рождаются парами — странность одной частицы компенсирует странность другой (если одна частица в паре имеет странность +1, то странность другой равна -1). Таким образом, странные частицы, родившись, выживают вплоть до распада, определяемого слабым взаимодействием, которое не сохраняет странность.

В 1961 г. Мюррей Гелл-Манн и Ювал Неэман независимо обнаруживают, что эта система мультиплетов, предложенная для описания странных частиц, может быть включена в гораздо более общую теоретическую схему, позволяющую сгруппировать все сильно взаимодействующие частицы в «семейства». Эту схему Гелл-Манн, поклонник Востока, назвал восьмеричным путем (по аналогии с восемью атрибутами праведного жития в буддизме), так как некоторые частицы были сгруппированы в семейства из восьми членов (в науке она называется, по правилам алгебры, SU (З) — симметрией[44]).