Барионы и адроны. Барионный заряд.

Кроме протонов и нейтронов, обнаружены и другие столь же тяжелые частицы – «гипероны». Известны несколько видов гиперонов: лямбда-гиперон «λ-гиперон», сигма-гиперон «σ-гиперон», кси-гиперон «ξ-гиперон», омега-гиперон «ω-гиперон» и другие. Масса ω-гиперона, например, в 1,8 раза больше массы протона. Гипероны – нестабильные частицы, и их получают только на ускорителях.

Все те элементарные частицы (хотя мы уже и знаем, что они не элементарны, а состоят из кварков, но традиционное их название сохранилось), которые могут быть связаны между собой сильным взаимодействием, имеют общее обозначение – их называют «барионы». Использование таких общих названий упрощает язык физиков точно так же, как мы упростили множество формулировок, введя термин «нуклоны».

Все барионы состоят из трех кварков (хотя есть недоказанное предположение, что существуют «пентакварки» - барионы, состоящие из 5 кварков).

Мезоны являются посредником в сильном взаимодействии, то есть сами по себе они не являются частицами, которые связаны между собой сильным взаимодействием, поэтому мезоны не являются барионами.

Но поскольку барионы и мезоны часто тусуются вместе – а как же иначе, то удобно ввести общий термин и для них. Его и ввели. Бозоны и мезоны называются общим термином «адроны».

Так же, как есть закон сохранения энергии и закон сохранения массы, существует закон сохранения числа барионов в замкнутой системе. Поскольку мы пока что не касались рассмотрения «античастиц», то закон сохранения барионов можно сформулировать в упрощенной форме: в замкнутой системе количество барионов сохраняется неизменным. Количество барионов иногда еще называют «барионным числом» или «барионным зарядом». Здесь нужно понимать, что в данном контексте слово «заряд» не имеет никакого отношения к электрическому заряду. Теперь мы можем сказать и так: в замкнутой системе действует закон сохранения электрического и барионного зарядов, то есть и общая сумма электрических зарядов неизменна, и общее количество барионов неизменно.

Запись превращений элементарных частиц друг в друга выглядит уже знакомым нам образом – фактически, здесь действует своего рода «кварковая химия», так как понять закономерности таких реакций можно, только прибегнув к изучению их кварковой структуры. Например:

K^- + p → Λ⁰ + π⁺ + π^-

Это уравнение описывает следующий процесс: при столкновении К-мезонов (имеющих большую энергию – это не указывается в данной формуле) с протонами часто возникают лямбда-гиперон и два пи-мезона.

Мюоны. Космические лучи. Чудесные атомы будущего.

А теперь вернемся ненадолго к мюону. Мы уже сказали, что мюоны не участвуют в сильном взаимодействии, и значит… ? Да, это значит, что в состав мезонов мюоны были включены по ошибке. Просто в те времена исследования элементарных частиц только начинались, ясности было немного, так же как и во времена, когда было известно мало химических элементов, таблица Менделеева оставалась делом будущего. Таким образом, мюоны не являются мезонами, и не являются, само собой, ни барионами ни адронами. Мюон относится к совершенно другому классу частиц, который называется «фермионы» - мы рассмотрим этот класс частиц позднее, чтобы все не свалилось в одну кашу – и так уже получилось немало новых терминов. Так как электрон также относится к классу фермионов, то, учитывая, что масса мюона в 207 раз больше массы электрона, его можно рассматривать как чрезвычайно тяжелый электрон.

Мюон имеет и другие отличия от истинных мезонов – например, обычный мезон, когда распадается, дает или нейтрино, или антинейтрино, а продукты распада мюона включают и то, и другое.

Мюоны можно создавать на ускорителях, но еще их обнаруживают в так называемых «космических лучах» - потоках тех элементарных частиц, которые родились где-то в глубинах космоса и прилетели к нам на Землю (первичные космические лучи), и тех частиц, которые родились в атмосфере земли в результате столкновения первичных космических лучей и частиц атмосферы (вторичные космические лучи). Впервые мюоны нашли, кстати, именно в космических лучах в 1936 году. Состав первичных космических лучей довольно прост – в основном они состоят из протонов, есть немного альфа-частиц и совсем немного ядер более тяжелых элементов – лития, бериллия и бора. А вот состав вторичных космических лучей крайне разнообразен – первичные космические лучи, прилетая к нам на почти световых скоростях, ударяя в молекулы воздуха образуют целый зоопарк разнообразных элементарных частиц – своего рода природный ускоритель.

Первичные космические лучи делятся еще на несколько видов в зависимости от своего происхождения: например «галактические лучи», которые приходят к нам из межзвездной среды, и другие.

Смотри – гипероны очень похожи на нуклоны – у них близкая масса, они тоже могут удерживаться сильным взаимодействием. А мюоны очень похожи на электроны, правда, их масса в 207 раз больше. И все же – а что, если взять и составить атом, ядро которого будет состоять либо целиком из гиперонов, либо из композиции нуклонов и гиперонов, а окружать это ядро будут либо только мюоны, либо компания из мюонов и электронов? Получится что-то совершенно офигенное! Трудно даже представить – какими свойствами будут обладать такие атомы, если удастся сделать их стабильными.

Экспериментально наблюдались и другие удивительные явления: например, мюон может сцепиться с электроном и образовать атом, в котором мюон станет играть роль положительно заряженного ядра. Воображаемое вещество, состоящее из таких атомов, называется «мюоний». Из общих соображений ясно, что мюоний будет вести себя как сверхлегкий изотоп водорода, но предсказать его химические свойства вряд ли кто-то сейчас возьмется.

Чтобы узнать побольше о веществах, состоящих из таких удивительных атомов, нужно воспользоваться медициной XXI века (см. мою одноименную статью об этом) и дожить до тех времен, когда люди научатся создавать такое вещество и смогут исследовать его.