Рубеж

Были открыты и другие частицы, первая из которых была обнаружена в 1947 году. Все эти частицы, за исключением мюон-нейтрино (его существование не столько открыли, сколько осознали), являются тяжелыми нестабильными частицами и вступают в сильные взаимодействия.

Так, были открыты К-мезоны, или каоны, — целая группа частиц, масса которых в 996,5 раза больше массы электрона, то есть приблизительно равна среднему значению массы протона и пиона. Как и пионы, каоны имеют спин, равный 0, и являются бозонами, также существует положительный каон, являющийся частицей, и отрицательный, являющийся античастицей. Есть еще и чуть менее устойчивый — нейтральный каон, масса которого чуть ниже массы заряженного каона. Однако в отличие от пионов нейтральный каон не является собственной античастицей: существует нейтральный каон и нейтральный антикаон.

Были также открыты и более тяжелые, чем протоны и нейтроны, частицы. Все они делятся на три группы, получившие названия по трем буквам греческого алфавита: лямбда, сигма и кси.

В группе лямбда одна частица (нейтральная), в группе сигма — три частицы (положительная, отрицательная и нейтральная), и в группе кси — еще две частицы (отрицательная и нейтральная). У каждой частицы есть античастица. Масса частицы группы лямбда в 2182 раза больше массы электрона (то есть 1,18 от массы протона). Масса частиц группы сигма больше массы протона — примерно в 1,27 раза, а масса частиц группы кси еще больше массы протона — в 1,40 раза. Общее название всех этих частиц гипероны (от греческого «выше», так как их масса выше массы протона). Все гипероны являются фермионами.

Как и мюоны, которые могут замещать электроны внутри атома и образовывать мезоатомы, лямбда-гипероны могут замещать частицу внутри атомного ядра и образовывать короткоживущее гиперъядро.

В 1960-х годах было обнаружено несколько крайне короткоживущих частиц, период полураспада которых равнялся всего 10^–23. Это — резонансные частицы. Пока неясно, являются ли они отдельными частицами. Возможно, это всего лишь кратковременные соединения двух и более частиц.

Огромное количество обнаруженных частиц привело физиков в замешательство, так как было очень сложно расположить их по порядку. Требовались новые законы поведения частиц.

Например, несмотря на то, что условия образования гиперонов свидетельствуют о том, что они являются частицами сильного взаимодействия, и несмотря на то, что продукты их распада также являются частицами сильного взаимодействия, тем не менее распад гиперона идет нехарактерно медленно. Распад, например, лямбда-гиперона можно представить в виде:

?⁰ ? p⁺ + ?^–, (Уравнение 14.18)

где ? (греческая заглавная «лямбда») обозначает лямбда-гиперон. В ходе этой реакции соблюдаются все известные законы сохранения. Сохраняется, например, спин, так как спин пиона равен 0. Сохраняется и барионное число, а гипероны являются барионами. (В данном случае пион не является членом ни одного из участвующих в реакции семейств частиц, числа которых сохраняются, поэтому он может совершенно свободно появляться и исчезать, не нарушая законов сохранения.) Так как по всем признакам описанное формулой 14.18 взаимодействие является сильным, оно должно происходить не более чем за 10^–28 с (или около того). Однако взаимодействие длится в течение 2,5?10^–10 с, что в 10 трлн. раз дольше, чем должно быть, — невероятно долго по субатомным меркам.

Объяснение этому в 1953 году предложили независимо друг от друга два физика — американец Марри Гелл-Ман и японец Кацухико Нисидзима. Они предложили новую сохраняющуюся величину, которую Гелл-Ман назвал странность.

Странность всех членов электронной и мюонной семей, а также пионов, нуклонов и их античастиц равна 0. Все остальные частицы, странность которых не равна 0, имеют общее название «странные частицы». Странность каона равна +1; лямбда-гиперона и сигма-гиперона –1; а кси-гиперона –2. Их античастицы имеют конечно же противоположное значение числа странности.

Значения странности не были присвоены частицам произвольно, они вычислялись экспериментальным путем. Если странность исходной частицы равна нулю, то при ее распаде до частицы со странностью +1 обязательно должна образовываться и частица с числом странности –1. В этом случае странность сохраняется.

В описанном формулой 14.18 случае распада лямбда-гиперона (число странности -I) до протона (0) и пиона (0) странность не сохраняется, значит, такая реакция идти не может.

Однако закон сохранения странности распространяется только на сильные взаимодействия. Значит, распад лямбда-гиперона может иметь место, но только в результате слабого взаимодействия, для которого требуется гораздо больше времени. Поэтому, несмотря на все внешние признаки, формула 14.18 описывает все же слабое взаимодействие, что и объясняет долгий период полураспада лямбда-частицы.

Были обнаружены ограничения и у более старого закона сохранения четности.

Четность является величиной, которая сохраняется точно так же, как в мире цифр сохраняется четность/нечетность. Если четное число, например 8, представить в виде суммы двух меньших чисел, например 6 + 2 или 5 + 3, то оба этих числа будут либо четными, либо нечетными. Если в виде суммы двух меньших чисел представить нечетное число, например 7, то одно из них всегда будет четным, а второе — нечетным. Это же правило относится и к более сложным преобразованиям.

В 1956 году было обнаружено, что некоторые каоны распадаются на два пиона, а некоторые — на три. Так как пионам присвоена отрицательная четность, то два пиона являются четными, а три пиона — нечетными. Это означало, что существуют каоны с положительной четностью и каоны с отрицательной четностью.

Однако каоны отличались лишь способом распада, в то время как вес остальные их свойства были абсолютно идентичны. Изучая эту проблему, два китайских физика Ли Цзундао и Ян Чжэньнин с теоретической точки зрения объяснили, почему четность должна сохраняться лишь при сильных взаимодействиях, а при слабых ею можно пренебречь.

Существовала возможность проверить это. Уже в 1927 году Эуген Вигнер, изучив проблему, доказал, что сохранение четности означало отсутствие различий между левым и правым, или (что тоже самое) между ситуацией и ее зеркальным отражением. Этого можно достичь только в том случае, если все взаимодействия будут происходить симметрично в пространстве. Например, если ядро испускает электроны, оно должно испускать их во все стороны, чтобы зеркальное отражение было неотличимо от реальности. Если же электроны испускают преимущественно в одну сторону (скажем, влево), то при зеркальном отражении они будут испускаться преимущественно вправо, и реальность можно будет отличить от ее зеркального отражения.

Китайский физик By Цзяньсюн проверила теорию Ли Яна, используя для этого кобальт–60. Кобальт–60 во время слабого взаимодействия отдает электроны. By Цзяньсюн охладила кобальт–60 практически до абсолютного нуля, после чего подвергла его действию магнитного поля. В результате этого все ядра кобальта повернулись северными магнитными полюсами в одну сторону, а южными в другую. При температуре около абсолютного нуля ядрам не хватало энергии для того, чтобы противостоять выравниванию.

Оказалось, что электроны вовсе не испускаются во всех направлениях. Из южного магнитного полюса вылетало гораздо больше электронов, чем из северного. Эту ситуацию можно отличить от ее зеркального отражения, значит, закон сохранения четности применительно к слабым взаимодействиям не работает.

Соответственно в случае слабого взаимодействии каон вполне может иметь то положительную, то отрицательную четность.

Более общий закон сохранения совмещает четность и зарядовое сопряжение — величину, определяющую взаимообмен частиц и античастиц. Это значит, что изменение четности ведет к соответствующим изменениям в связи с античастицами. Так, антивещество кобальта–60 будет испускать позитроны, причем преимущественно с северного магнитного полюса. При сильном взаимодействии четность и зарядовое сопряжение сохраняются раздельно, а при слабом — вместе.

Гелл-Ман развил свою теорию, и в 1961 году он (и независимо от него израильский физик Юваль Нееман) организовал десятки частиц сильного взаимодействия по восьми сохраняющимся при сильном взаимодействии свойствам. Обосновав свою теорию с точки зрения теории групп (раздел высщей математики), назвал ее восьмеричный путь.

Например, работая с дельта-гиперонами (еще одна группа частиц с зарядами –1, 0, +1 и +2), Гелл-Ман поместил их под более тяжелыми сигма-гиперонами (заряды –1, 0 и +1), а над сигма-гиперонами — более тяжелые кси-гипероны (заряды –1 и 0).

По аналогии на вершину образующегося треугольника можно поместить еще более тяжелую частицу с зарядом –1. Гелл-Ман назвал эту частицу отрицательным омега-гипероном, так как омега является последней буквой греческого алфавита. Омега-гиперон обладает уникальными значениями различных сохраняемых величин, самым необычным из которых является значение странности (–3).

В 1964 году омега-гиперон был обнаружен, причем все его свойства, в том числе и странности, в точности совпадали с предсказанными. По своей значимости это открытие не уступает обнаружению элементов, существование которых было предсказано Менделеевым.

Именно на этом рубеже и находится сейчас физика — рубеже мира субатомных частиц, превратившемся за последние десятилетия в джунгли загадочных явлений. Возможно, если подобрать ко всем этим загадкам правильные отгадки, перед нами откроется разгадка всех физических тайн Вселенной.