книги из ГПНТБ / Афонин А.А. Частицы, поля, кванты

■ д р у ги е поля

частицы

взаимодействия

6*

В настоящее время число известных элементарных час- ® тиц приближается к сотне. Почти каждый месяц при­ носит нам одну-две новые частицы.

При таком обилии элементарных частиц и их способ­ ности при соблюдении определенных законов превра­ щаться друг в друга становится трудно говорить об эле­ ментарности каждой из них в отдельности и слова «эле­ ментарная частица» в значительной мере становятся условными.

Ранее в науке уже приходилось сталкиваться с ана­ логичной проблемой для атома. Действительно, слово «атом» (в переводе с греческого — неделимый) использо­ валось сначала для обозначения мельчайшей частицы ве­ щества, принципиально неделимой (и в этом смысле атом понимался элементарным) на более мелкие. Все окружающее считалось состоящим из таких частиц. Но когда выяснилось, что число атомов разного сорта весь­ ма велико и они могут терять один или несколько элек­ тронов, уверенность в их неделимости была сильно поко­ леблена. А теперь уже каждый школьник знает, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращаю­ щихся вокруг него отрицательно заряженных электро­ нов. Делимость же атома встречается чуть ли не на каждом шагу. Например, явление электризации, возни­ кающее хотя бы при натирании эбонита, состоит в отры­ вании электронов от атомов, то есть представляет собой результат одного из возможных способов деления ато­ мов.

Таких примеров можно привести много. Делимость атома твердо установлена и используется в повседнев­ ной практике. А слово «атом» употребляется лишь для обозначения определенных объектов в отрыве от его первоначального смысла, и элементарность атома стала чисто условным понятием.

84

Но в науке новое открытие всегда не просто отбра­ сывает старые понятия и теории, а устанавливает ясную границу, до которой эти старые понятия, теории справед­ ливы и за которой их следует заменить на новые. В опре­

соответствующего химического элемента, еще имеющую химические свойства, присущие этому элементу.

Дальнейшее деление атома хотя и возможно, но обя­ зательно приведет к качественно новым объектам, обла­ дающим совсем другими свойствами. Как мы уже знаем на примере фотонов, электронов и позитронов, элемен­ тарные частицы, получающиеся в результате такого де­ ления, очень отличаются от всего, что было известно до этого.

И теперь вопрос об элементарности поставлен по-но­ вому, значительно шире. Что же является элементар­ ным? Из чего составлены все элементарные частицы? Среди физиков обсуждаются два возможные пути реше­ ния этих вопросов.

1. Из всех известных нам элементарных частиц трудно выделить некоторые, так сказать, более элемен­ тарные. Это связано с тем, что при определенных усло­ виях все эти частицы могут превращаться друг в друга или порождать друг друга. Так, свободный нейтрон в среднем через 11 секунд распадается на протон, электрон и нейтрино. Но, с другой стороны, при столкновении двух протонов могут появиться среди других частиц и нейтро­ ны. Столкновение нейтронов также способно породить протоны.

Иными словами, мы в равной мере можем считать и то, что протон «входит» в состав нейтрона, и то, что ней­ трон «входит» в состав протона. Это справедливо в от­ ношении всех частиц.

85

Таким образом, каждая элементарная частица как бы состоит из всех остальных и в этом смысле все они одинаково элементарны. Наиболее последовательный сторонник такой точки зрения Д. Чу полушутя назвал такую ситуацию «ядерной демократией». Он считает, что и те частицы, которые предстоит еще открыть, будут не более элементарны, чем уже известные.

2. Вторая точка зрения состоит в том, что существ ют истинно элементарные частицы, и основная задача эксперимента должна состоять в поиске таких частиц. Все остальные частицы являются составными.

Чьи предсказания осуществятся, покажет будущее, может быть, и не так уж далекое. Возможно, как это час­ то бывало в прошлом, разгадка будет совсем иной. Одно бесспорно: физика находится на пороге познания новой, более глубокой структуры материи.

Систематика элементарных частиц

Известно, какую большую роль для построения теории играет правильная научная систематизация накоп­ ленных экспериментальных фактов. Каждый легко мо­ жет сам привести многочисленные примеры, подтверж­ дающие это положение. В этом смысле наиболее убеди­ тельным является периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева.

Открытие определенной симметрии в свойствах хи­ мических элементов позволило Д. И. Менделееву не толь­ ко свести в стройную систему известные элементы, но и успешно предсказать ряд новых, ранее неизвестных. Од­ нако только создание квантовой механики и на ее основе теории атома вскрыло природу закономерностей, обна­ руженных Д. И. Менделеевым.

86

Число известных элементарных частиц в настоящее время почти равно числу химических элементов. Поэтому правильная систематизация их является столь же необ­ ходимой, как и химических элементов в свое время. При этом успех будет нам сопутствовать только в том случае, если удастся правильно выбрать характеристики частиц, по которым их следует классифицировать. Вспомним, ведь именно выбор атомного веса и валентности в качест­ ве основных характеристик определил успех таблицы Д. И. Менделеева.

Наиболее разумными критериями для систематиза­ ции элементарных частиц могут служить характеристики взаимодействий одних частиц с другими, то есть в каких взаимодействиях, процессах распада та или иная части­ ца может участвовать, а в каких нет. Иными словами, следует выяснить, какие типы превращений и взаимодей­ ствий и для каких частиц существуют в природе.

Одной из наиболее удобных характеристик такого рода является величина константы связи, введенная на­ ми в предыдущей главе. Она показывает, насколько сильно взаимодействуют два квантованных поля.

Но каждая элементарная частица является квантом (элементарным возбуждением) соответствующего кван­ тованного поля. Поэтому взаимодействие полей в кван­ товой теории будет проявляться в виде взаимодействия частиц.

Все известные на сегодня взаимодействия частиц рез­ ко делятся по величине константы связи на четыре группы:

1. Гравитационное взаимодействие. Оно имеет чрез­ вычайно малую константу связи и, по-видимому, не иг­ рает заметной роли при взаимодействии частиц. Для на­ глядности укажем, что энергия этого взаимодействия для протонов, удаленных друг от друга на расстояние 10-14 см

87

(характерный размер нуклона), составляет всего 10-38от энергии покоя протона. Следует еще отметить, что кван­ товая теория гравитационногб взаимодействия в настоя­ щее время практически отсутствует.

В дальнейшем мы это взаимодействие рассматривать не будем.

2. Слабое взаимодействие. Константа связи его еще очень мала, но уже значительно больше, чем в гравита­ ционном взаимодействии. Энергия этого взаимодействия для двух протонов на расстоянии 10-14 см друг от друга составляет 10-5 от энергии покоя протона.

Слабое взаимодействие и ответственно за наиболее медленные процессы, происходящие в мире элементар­ ных частиц. Такими, как правило, являются распады. Мы уже упоминали об одном из них. Это распад нейтро­ на на протон, электрон и нейтрино.

Рассеяние же частиц друг на друга за счет этого взаимодействия столь слабо, что при существующей тех­ нике эксперимента изучать его очень трудно. Кроме то­ го, оно нередко маскируется эффектами от более силь­ ных взаимодействий.

3. Электромагнитное взаимодействие. Константа свя-

зи равна 1

Энергия взаимодействия двух протонов на расстоя­ нии 10-14 см друг от друга для данного взаимодействия

составляет 1 от энергии покоя протона.

В предыдущей главе мы уже изучали это взаимодей­ ствие для электронов, позитронов и фотонов. Но взаимо­ действовать электромагнитно могут и все другие части­ цы, имеющие электрический заряд.

4. Сильное взаимодействие. Оно характеризуется наи­ большей константой связи (порядка 15). Неоднократно

88

упоминаемая энергия взаимодействия двух протонов, уже примерно равна энергии покоя протона.

Сильное взаимодействие приводит к рассеянию эле­ ментарных частиц, к процессам их рождения и уничто­ жения. Это взаимодействие также часто сопровождается образованием связанных и резонансных состояний эле­ ментарных частиц, с которыми мы уже встречались в электродинамике.

Процессы распада резонансных систем, вызванные этим взаимодействием, протекают чрезвычайно быстро, в течение интервалов времени 10_22-т НИ24 секунды.

Но не все частицы могут принимать участие во всех трех взаимодействиях (гравитационное взаимодействие мы не рассматриваем). Например, фотон участвует толь­ ко в электромагнитных взаимодействиях.

Частицы, которые могут взаимодействовать слабо и электромагнитно, называются лептонами. Их всего во­ семь: электрон (е), мю-мезон (ц), электронное нейтрино (у), мю-мезонное нейтрино (у^) и античастицы всех этих частиц. Все они, кроме мю-мезона, устойчивы. Пос­ ледний распадается на электрон, нейтрино (г^.) и анти­ нейтрино

Те частицы, которые могут участвовать и в сильных взаимодействиях, называются адронами. Адроны могут также взаимодействовать слабо и электромагнитно. Чис­ ло их очень велико и продолжает расти до сих пор. В ос­ новном за счет адронов и происходит рост общего числа частиц. Как правило, адроны неустойчивы. Стабилен из них только протон. Остальные распадаются слабо, элек­ тромагнитно или сильно. Казалось бы, ничто не запре­ щает и протону превратиться, например, в позитрон и не­ сколько фотонов. Ведь заряд при этом сохраняется, мас­ са протона, а следовательно (согласно принципу эквивалентности массы и энергии), и энергия достаточно

89

велика, чтобы такое превращение имело место. И тем не менее опыт совершенно четко говорит о стабильности протона. Следовательно, должен существовать еще один

содержится протон, назвали барионами, а сохраняющую­ ся величину назвали барионным числом. Такое число для барионов равно единице, а для аптибарионов— 1.

Таким образом, барион-антибарионная пара имеет суммарное барионное число, равное нулю, и уже может распасться на лептоны и фотоны.

Все остальные адроны названы мезонами. У них, а так­ же у фотона и лептонов барионное число равно нулю. Поэтому все мезоны в конечном счете распадаются на фотоны и лептоны.

Следует еще отметить, что спин у всех барионов полуцелый, а у мезонов целый.

Поскольку сильное взаимодействие намного сильнее остальных и имеет значительно меньшее характерное время, то с большей степенью точности можно считать, что оно происходит так, как если бы других взаимодей­ ствий вообще в природе не было. Поэтому, чтобы разоб­ раться в классификации адронов, положим, что слабое и электромагнитное взаимодействия как бы выключены. Тогда более наглядно проявляется симметрия среди ад­ ронов. Так, нейтрон и положительно заряженный протон ведут себя в сильных взаимодействиях совершенно оди­ наково. Если к тому же имеющуюся небольшую разницу отнести только за счет электромагнитных взаимодействий (а основания для этого имеются), то можно предполо­ жить, что с точки зрения сильных взаимодействий это одна частица, но в двух разных состояниях. Эта частица была названа нуклоном.

90

Для того, чтобы уметь описывать математически воз­ можность нуклону находиться только в двух состояниях, использовали аналогию со спином элементарных частиц. Известно, если спин некоторой частицы равен половинке, то на любое направление в пространстве он может иметь всего две проекции: по данному направлению и против него. Поэтому нуклон был наделен так называемым изо­

топическим спином, равным половинке Т=~^-. Этот

спин также имеет всего две проекции на любое направле­

ние Тз= ± -у . Здесь Т3 — проекция изоспина Т на некото­

рое направление. Если проекция равна+-^-, то нуклон

1

находится в протонном состоянии, если же — ^ ,—то в

нейтронном.

Формальность такого описания состоит в том, что проекции и направления при этом берутся не в нашем обычном пространстве, а в некотором абстрактном мате­ матическом пространстве (изопространстве), которое, как и сам изотопический спин, вводится лишь для удоб­ ства описания нуклона.

Итак, протон и нейтрон объединены в одну частицу. Принято еще говорить, что они составляют изотопиче­ ский дублет.

Существуют также изотопические триплеты, то есть в одну частицу объединяются аналогичным образом три частицы. Но для этого нужно приписать этой частице изоспин Т =1. В этом случае последний будет иметь три проекции Т = ± 1 ,0 , каждую из которых можно связать с одной из трех исходных частиц. Примером изотопиче­ ского триплета могут служить три я-мезона (я — греч. буква «пи»): я + — положительно заряженный, я - — от­ рицательный, я0 — нейтральный.

91