Сохранение барионного числа
Сохранение барионного числа
До сих пор мы не ответили на вопрос: почему протон стабилен? Теперь мы можем к этому вопросу добавить другой: почему стабилен антипротон? Совершенно неуместно говорить о том, что протон имеет наименьшую массу, с которой связан положительный заряд. Такое искушение могло у нас возникнуть, пока мы не ввели античастицы. Ведь протон мог бы распасться на позитрон и фотоны ?-лучей. При этом электрический заряд сохранился бы, а все другие законы сохранения удовлетворились бы автоматически. Подобным образом антипротон мог бы распасться на электрон и ?-квант.
Если какой-нибудь распад не нарушает ни одного из законов сохранения в субатомном мире, он должен иметь место. Распад может быть очень редким явлением, но он обязательно должен происходить. Если, с другой стороны, какой-то субатомный процесс упорно не желает протекать, значит, он нарушает какой-нибудь закон сохранения.
Протон никогда не распадается на позитрон. Этот процесс не нарушает ни один из известных нам законов сохранения, следовательно, ему препятствует какой-то новый закон. Превращение протона в позитрон не нарушает закона сохранения электрического заряда, так как оба несут положительный заряд, равный единице. А свойства позитрона и фотонов, образующихся из протона, легко подобрать таким образом, чтобы не нарушались законы сохранения импульса, момента количества движения и энергии.
Итак, физикам пришлось сделать вывод о том, что существует пятый, прежде неизвестный закон сохранения. Когда они еще раз внимательно стали изучать все субатомные процессы, которые они знали, им начало казаться, что барионы вообще никогда не исчезают. Всякий раз, когда исчезал барион одного вида, мгновенно возникал барион другого вида. Конечно, когда барион встречается с антибарионом (например, когда протон встречает антипротон), обе частицы могут исчезнуть, не оставив взамен никакого другого бариона.
Чтобы разобраться в таком странном поведении барионов, всем субатомным частицам физики приписали определенные барионные числа. Протон и нейтрон получили барионные числа +1 каждый, а антипротон и антинейтрон -1 каждый. Всем лептонам (электрону, позитрону и фотону) приписали нулевые барионные числа. Итак был сформулирован новый закон: суммарное барионное число замкнутой системы постоянно. (Все законы сохранения, рассмотренные нами, были открыты при исследовании явлений обычной повседневной жизни а затем применены к атому. Теперь мы в первый, но не в последний раз встретились с законом сохранения, возникшим непосредственно при изучении явлений, происходящих в субатомном мире.)
Рассмотрим несколько примеров. При радиоактивных превращениях ядро урана-238 распадается на ядро тория-234 и ?-частицу (гелий-4). Ядро урана-238 содержит в общей сложности 238 протонов и нейтронов, следовательно, его барионное число 238. Аналогично барионное число тория-234 равно 234, а ?-частицы — 4. Поскольку сумма барионных чисел тория-234 и ?-частицы равна 238, барионное число в этом процессе сохраняется. Далее, ядро тория-234 излучает ?-частицу (т. е. электрон с нулевым барионным числом) и превращается в ядро протактиния-234. Следовательно, барионное число снова сохраняется. В действительности оно сохраняется во всех известных радиоактивных превращениях. А что происходит с барионным числом элементарных частиц? Если нейтрон распадается на протон и электрон, барионное число сохраняется, так как сумма барионных чисел протона и электрона равна единице. Точно так же сохраняется барионное число и при распаде антинейтрона на антипротон и позитрон.
Если протон и антипротон, взаимодействуя, превращаются в нейтрон и антинейтрон, суммарные барионные числа до и после реакции равны. Если взаимодействуют протон и антипротон, образуя два ?-кванта (или любое число их), закон сохранения барионного числа снова выполняется, так как +1–1 = 0 + 0.
Во всех известных до сих пор атомных и субатомных процессах барионное число сохраняется. Физики ни разу не сталкивались с нарушением закона сохранения барионного числа. Теперь становится понятно, почему протон не превращается спонтанно в позитрон, а антипротон — в электрон. В первом случае барионное число +1 стало бы нулем, а во втором — в нуль превратилось бы барионное число -1. Ни одно из этих превращений невозможно без нарушения закона сохранения барионного числа.
В самом деле, насколько мы знаем, протон и антипротон — наименее тяжелые из известных барионов. Именно поэтому они стабильны. Любое спонтанное превращение означало бы появление менее тяжелых частиц. Но любая более легкая частица — не барион, и, следовательно, за кон сохранения барионного числа был бы нарушен.
По закону сохранения электрического заряда, казалось бы, ни один электрон не возникает без одновременного рождения позитрона. Согласно тому же закону и закону сохранения барионного числа, ни один протон не возникает без одновременного рождения антипротона. В окружающей нас Вселенной электронов и протонов сколько угодно, а позитроны и антипротоны исключительно редки. Почему?
Убедительного ответа на этот вопрос еще нет. Одна гипотеза предполагает, что, когда возникла наша Вселенная, частиц и античастиц было равное количество, но они были как-то разделены. Возможно, кроме нашего мира существует также антимир. Все вещества нашего мира состоят из атомов с ядрами из протонов и нейтронов и с электронами во внешних областях атома. В антимире антиматерия должна состоять из атомов с ядрами из антипротонов и антинейтронов и с позитронами вместо электронов во внешних областях атома. В антимире обычное вещество встречалось бы исключительно редко. (До недавнего времени антивещество оставалось просто теоретической концепцией. Однако в 1965 году физики Брукхейвенской национальной лаборатории получили очень недолговечные ядра из антипротона и антинейтрона. Известно, что ядро водорода-2 состоит из протона и нейтрона. Водород-2 часто называют дейтерием, поэтому систему протон + нейтрон назвали дейтроном, а систему антипротон + антинейтрон — антидейтроном. Антидейтрон — простейший вид антиматерии, который представляет собой более сложное образование по сравнению с элементарной частицей. Без сомнения, придет время, когда более сложные формы антивещества будут созданы в лаборатории.
Не исключена возможность, что в нашей Вселенной присутствуют одновременно и вещество и антивещество, но находятся они в разных галактиках. Трудно определить, видим ли мы в телескопы галактики или антигалактики. На первый взгляд кажется, что галактику от антигалактики можно отличить по излучаемому свету. Если обычное вещество излучает фотоны, антивещество должно излучать «антифотоны». Нельзя ли их различить? К несчастью, нет! Если существуют антифотоны, аннигиляция частиц и античастиц привела бы к образованию одинакового числа фотонов и антифотонов. Однако образуются только фотоны, поэтому физики сделали вывод, что фотон является собственной античастицей, т. е. излучение вещества и антивещества должно быть совершенно одинаково, и по нему нельзя различить две галактики. (Однако позднее мы убедимся, что не все еще потеряно.) Если бы и материя и антиматерия сосуществовали в нашей Вселенной, они могли бы случайно встретиться в значительных количествах. Если бы это произошло, при аннигиляции выделилось бы колоссальное количество энергии, гораздо больше, чем при ядерных реакциях внутри таких звезд, как наше Солнце.
В действительности существуют галактики и другие космические объекты, которые излучают необычно большие потоки энергии в виде света или радиоволн, или того и другого вместе. Сейчас астрономы заняты попытками определить источник этой энергии. Аннигиляция вещества и антивещества — возможный, но не единственный ее источник.