книги из ГПНТБ / Богуш А.А. Элементарные частицы

тон — антипротонной пары взамен исчезнув­ шего протона и антипротона появляются пи-ме­ зоны. Последние частицы не должны обладать этими качествами. Положение здесь аналогич­ но аннигиляции электронно-позитронной пары, когда взаимное уничтожение электрических зарядов приводит к появлению незаряженных частиц — фотонов.

Повое качество, которое проявляется при рождении и аннигиляции протон — антипро­ тонной пары, и закон его сохранения не надо выдумывать — они существуют. Все опытные данные говорят о том, что ядерное вещество — протоны и нейтроны — никогда не исчезает, по крайней мере в пределах нашей Галактики, и не возникает из ничего. Протоны и нейтроны могут превратиться и в более тяжелые части­ цы — лямбда-, сигма-, кси-гипероны, но это не означает исчезновения ядерной материи, так как эти более тяжелые частицы тоже являют­ ся одним из видов ядерного вещества. Они мо­ гут входить в состав ядер атомов, из них мо­ гут состоять некоторые звезды, так называе­ мые гиперонные звезды.

В земных условиях эти более тяжелые ча­ стицы живут очень мало и снова превраща­ ются в протоны и нейтроны, из которых они образуются. Но никто никогда еще не наблю­ дал, чтобы отдельный протон или нейтрон пре­

электроны, позитроны и фотоны и привычный для нас мир, а вместе с ним и мы сами пере-

102

стали бы существовать. Поскольку этого, к сча­ стью, не происходит, мы приходим к заключе­ нию, что барйоны, т. е. нейтрон, протон и бо­ лее тяжелые частицы, действительно облада­ ют качеством, которого нет у более легких частиц и которое строго сохраняется. Это каче­ ство получило название я д е р н о г о, или б а- р и о н н о г о, з а р я д а .

Барионный заряд — это то, что характери­ зует частицу как источник ядерного поля, обес­ печивающего притяжение между нуклонами в ядре. В этом смысле он очень напоминает электрический заряд, который является источ­ ником электрического поля. Сохранение барионного заряда означает не что иное, как со­ хранение количества источников ядерного по­ ля, т. е. сохранение числа барионов, или, что то же самое, сохранение ядерной материи. Для бо­

бариону приписывается барионный заряд (В), равный +1, мезонам, лептонам и фотону — ну­ левой барионный заряд, а всем антибарионам — барионный заряд, равный —1 (см. табл. 1). Закон сохранения барионного заряда те­ перь может быть сформулирован в полной ана­ логии с законом сохранения электрического заряда. Алгебраическая сумма чисел, обозна­ чающая полный барионный заряд всех частиц, участвующих в какой-либо реакции, должна быть одинаковой в начале и в конце реакции.

Закон сохранения барионного заряда в та­ кой форме не только обеспечивает неуничтожимость ядерной материи, но и позволяет объяс­ нить парное рождение антипротона с протоном

103

и их аннигиляцию. Вместе с тем он запрещает такие процессы, как парное рождение антипро­ тона с позитроном. Например, рождение такой пары при столкновении двух протонов шло бы по схеме

где р и р — протон и антипротон; е+— пози­ трон.

Легко видеть, что здесь сумма барионных зарядов до реакции равна +2, а после реак­ ции + 1 (для протона В = +1). Отсутствие та­ кой реакции можно рассматривать как след­ ствие закона сохранения барионного заряда.

Реакция, в которой рождался бы один ан­

типротон без позитрона, р + р->р + р + р запре­ щена вдвойне, так как в ней не выполняется не только закон сохранения барионного заря­ да, но и закон сохранения электрического за­ ряда. Таким образом, мы приходим к выводу, что при столкновениях протона с протоном воз­ можно только парное рождение антипротона с протоном. Действительно, нетрудно убедиться,

что реакция р +р-> р +р +р +р не противоре­ чит ни одному из законов сохранения и поэто­ му наблюдается на опыте. Не нарушается

так как при этом суммы барионных зарядов до и после реакции равны нулю. Последний про­ цесс как раз и является примером такой ре-

104

аки,ии, когда барион и антибарион взаимно уничтожаются, превращаясь в более легкие ча­ стицы.

Между барионами могут наблюдаться про­ цессы аннигиляции, которые не имеют полной аналогии с аннигиляцией электронно-позитрон­ ной пары. Так, например, антинейтрон может аннигилировать не только с нейтроном, но и с протоном и вообще с любым другим барионом, имеющим противоположный по знаку барионный заряд. Примером такой аннигиляции мо­ жет служить реакция

Теперь мы вплотную подошли к ответу на вопрос, в чем состоит отличие тяжелой части­ цы от тяжелой античастицы. Определяющим здесь является не противоположность элект­ рических зарядов частиц, хотя она всегда на­ блюдается в таких случаях, а противополож­ ность барионных зарядов. Именно по этому

признаку отличаются Л° от Л°, 2° от 2°, Е°

от Е°- Закон сохранения барионного заряда, по

крайней мере на данном уровне наших зна­ ний, является абсолютным, универсальным. Это означает, что он, так же как и законы со­ хранения энергии, импульса, момента враще­ ния, электрического заряда, строго выполня­ ется во всех известных нам процессах. Это рав­ носильно утверждению, что процессы, в кото­ рых закон не соблюдается, не существуют. До сего времени таких процессов никто и не на­ блюдал, точно так же, как еще никто не обна­

105

ружил, что можно построить вечный двигатель, черпающий энергию из ничего. В этом состоит сходство всех универсальных законов сохра­ нения.

Точно так же, как и другие универсальные законы сохранения, последний закон является следствием своеобразной симметрии матери­ ального мира.

Существование целого ряда нейтральных частиц, таких, например, как нейтрино и антинейтрино, относящихся друг к другу как частица и античастица и тем не менее не имею­ щих ни электрического и ни барионного заря­ дов, заставляет думать, что эти заряды — не единственные признаки отличия частицы от ан­ тичастицы. У нейтрино и у его античастицы есть какие-то особенные взаимно противопо­ ложные качества, которые делают их различ­ ными. Эти качества проявляются в характер­ ных особенностях реакций с их участием. Наи­ более распространенной реакцией такого сорта является распад нейтрона. Нейтрон в недрах некоторых радиоактивных ядер, а также в свободном состоянии неустойчив и распада­ ется на три частицы — протон, электрон и

антинейтрино:

Именно эта реакция лежит в основе бетараспада радиоактивных ядер. Заметим, что ан­ тинейтрино появляется в паре с электроном. В других реакциях, например при распаде мю- минус-мезона, антинейтрино появляется также

106

в паре с тем же электроном. Поскольку оди­ ночного рождения антинейтрино не наблюда­ лось, физики склонны были думать, что здесь проявляется какая-то новая закономерность. Чтобы отразить эту закономерность, в полной аналогии с барионным зарядом был введен но­ вый, так называемый л е п т о н н ы й з а р я д

нейтрино было обнаружено, что существует не один, а два типа нейтрино, причем одно из них может появляться только в паре с электроном, а другое с мю-минус-мезоном. Первое из них назвали электронным антинейтрино (его услов­

ный символ V ,,) , а второе — мюонным (гД. Мюонное антинейтрино обнаружено в реакции распада пи-минус-мезона:

При распаде нейтрона появляется электронное антинейтрино. Поэтому реакцию (19) записы­ вают сейчас так:

Электронное и мюонное нейтрино появля­ ются в других реакциях, отличающихся от (20) и (21) переходом от частиц к античастицам. Мюонное нейтрино появляется при распаде

а электронное — при бета-распаде протона. Дело в том, что протон в окружении других нуклонов в атомном ядре может превратиться

107

ного рождения выполнялись, достаточно пред­ положить, что пара электронное нейтрино — электрон и пара мюонное нейтрино — мю-ме­ зон обладают различными качествами, различ­ ными лептонными зарядами: электронными и мюонными соответственно.

Эти качества должны сохраняться по от­ дельности, т. е. должен иметь место з а к о н с о х р а н е н и я э л е к т р о н н о г о л е п т о й - ног о з а р я д а и з а к о н с о х р а н е н и я м ю о н н о г о л е п т о н н о г о з а р я д а . Ко­ личественные меры этих качеств выбираются в полной аналогии с барионным зарядом. Электрону и электронному нейтрино приписы­ вается электронный лептонный заряд, равный + 1, а позитрону и электронному антинейтри­ но —1. По тем же причинам мю-минус-мезону и мезонному нейтрино приписывается мюонный лептонный заряд +1, а мюонному антинейт­ рино и мю-плюс-мезону —1. Введением лептонных зарядов и законов их сохранения удается свести большое количество особенностей в ре­ акциях с участием лептонов к сохранению двух качеств. Мы еще раз подчеркнем, что основным критерием при осмысливании новых качеств является факт их парного рождения. В даль­ нейшем этот же факт поможет обнаружить но­ вые качества, по которым различаются нейт­ ральные ка-ноль- и анти-ка-ноль-мезоны, для которых электрический, барионный и лептон­ ный заряды равны нулю.

108

109

массивных объектов. А для таких ничтожно малых крупиц материи, как элементарные ча­ стицы, они едва ощутимы и обычно не учиты­ ваются.

Электромагнитные силы, действующие меж­ ду электрически заряженными телами, зна­

чительно больше гравитационных. Например, сила электрического отталкивания между дву­ мя протонами превышает силы гравитационно­ го притяжения между ними в огромное число раз, которое записывается в виде единицы с 37 нулями! Электрические силы могут действовать на очень большие расстояния, они убывают с расстоянием так же медленно, как и силы тя­ готения. Электромагнитные взаимодействия обеспечивают устойчивость атомов, связь меж­ ду атомами в молекулах и кристаллах, прояв­ ляются во всех химических реакциях. Так как большинство элементарных частиц имеет элек­ трический заряд, то эти взаимодействия играют существенную роль в микромире.

Электромагнитные взаимодействия изучены лучше всего. Они осуществляются через по­ средство электромагнитного поля, возникаю­ щего вокруг заряженных тел. По современным представлениям, это поле состоит из фотонов, непрерывно испускаемых и поглощаемых те­ лом, несущим электрический заряд. Притяже­ ние или отталкивание двух таких тел сводится к обмену фотонами. В мире элементарных ча­ стиц существуют и другие проявления электро­ магнитных взаимодействий. Примерами могут служить: 1) рассеяние фотона на электроне, 2) рассеяние фотона на протоне, 3) распад я°-

110

мезона на 2 фотона, 4) превращение З^-гипе- рона в Л°-частицу с испусканием фотона, 5) ан­ нигиляция и 6) рождение электронно-позитрон­ ных пар.

Эти процессы на языке введенных выше символов (см. табл. 2) можно записать в виде следующих простых соотношений:

Характерным спутником всех этих процессов является фотон. Это и определяет его роль и место в системе элементарных частиц как ма­ териального носителя электромагнитных взаи­ модействий.

В заключение заметим, что изучение элект­ ромагнитных процессов и явлений в микроми­ ре является весьма важным и существенным и, что самое главное, одним из наиболее надеж­ ных источников сведений о свойствах и приро­ де элементарных частиц. Это связано, в част­

стоящее время одним из наиболее разработан­ ных разделов теории элементарных частиц. Ее предсказания, проведенные на ее основе расче­ ты конкретных процессов дают блестящее сов­ падение с экспериментальными данными.

Понятие о сильном (ядерном) взаимодей­ ствии появилось при попытках объяснить

удивительную прочность атомных ядер. Ядра, в состав которых входят одноименно заряжен-

111