книги из ГПНТБ / Богуш А.А. Элементарные частицы

ные протоны, неизбежно разлетелись бы под действием электрических сил отталкивания, если бы их не связывало между собой мощное притяжение. Это притяжение сжимает протоны и нейтроны в ядрах до фантастически огром­ ных плотностей. Достаточно сказать, что са­ мая тонкая игла из чисто ядерн'ого вещества весила бы около одного миллиона тонн. В зем­ ных условиях такие плотности не встречаются. Дело прежде всего в том, что сильное взаимо­ действие проявляется лишь при соприкоснове­ нии протонов и нейтронов между собой, точ­ нее, на расстоянии порядка 1СМ3 см, не пре­ вышающем размеров самих частиц. Ядра вещества в земных условиях находятся друг от друга на расстояниях в 100 000 раз больших. На таких расстояниях ядерные силы отсутст­ вуют, а далыюдействующие электрические си­ лы скорее стремятся растолкнуть ядра, чем сблизить.

Мощность ядерных сил можно грубо оце­ нить по количеству протонов в атомных ядрах последних устойчивых элементов периодиче­ ской таблицы, ибо в них уже наступает равно­ весие между электрическими силами отталки­ вания и ядернымн силами притяжения. В этом одна из причин того, что более тяжелые устой­ чивые ядра не существуют. В самых устойчи­ вых тяжелых ядрах около ста протонов. Сле­ довательно, силы ядерного притяжения при­ близительно в 100 раз больше электрических сил. Иначе говоря, сильные взаимодействия в 100 раз сильнее электромагнитных.

Точно так же, как фотоны являются носи­ телями электромагнитного взаимодействия, ка-

кие-то частицы должны быть носителями силь­ ного взаимодействия. Это предположение ве­ дет свое начало от известных идей академика И. Е. Тамма и было сформулировано в развер­ нутом виде в 1935 г. японским физиком Юкавсй, теоретически предсказавшим их массу.

В основе этого предсказания лежит связь радиуса действия сил с массой частицы-носи­ теля. Чем меньше радиус действия, тем больше масса частицы-носителя. Бесконечно большому радиусу действия электромагнитных сил соот­ ветствует отсутствие массы у фотона. Чрезвы­ чайно малый радиус действия ядерных сил — 10-13 см требовал, чтобы масса частицы-носи­ теля в 200—300 раз превышала массу элект­ рона. Для обеспечения большой силы взаимо­ действия сами частицы-носители должны очень сильно взаимодействовать с протонами и ней­ тронами. Предсказанные носители ядерных сил, получившие название пи-мезонов, были открыты в 1947 г.

Протон или нейтрон на весьма короткое время испускает пи-мезон и в течение этого же времени как-то изменяет свое состояние. Это изменение происходит столь быстро, что в со­ ответствии с законом квантовой механики мы в принципе не можем определить энергию ну­ клона в этот период с точностью большей, чем 140 Мэе. Эта энергия как раз и равна той энер­ гии, которую уносит с собой пи-мезон. Полу­ чается, грубо говоря, что нуклон как бы одал­ живает на очень малое время часть своей соб­ ственной энергии рождаемому им пи-мезону. Разумеется, что за такое короткое время, как 10-23 сек, нельзя будет в принципе обнаружить

114

ни изменение энергии нуклона, пи зафиксиро­ вать испускание пи-мезона. Эти в принципе ненаблюдаемые процессы, с помощью которых объясняется ядерное взаимодействие нукло­ нов, получили особое название — виртуальных процессов, а участвующие в них пи-мезоны на­ зывают виртуальными пи-мезонами.

Описанная модель, иллюстрирующая наши представления о механизме сильных взаимо­ действий, является грубой и поверхностной и далеко не отражает истинную картину весь­ ма сложного и трудно поддающегося теорети­ ческому и экспериментальному изучению ядерного взаимодействия. Достаточно сказать, что только за последние несколько лет наши пред­ ставления о ядерных силах значительно услож­ нились. Прежде всего оказалось, что не только пи-мезоны являются носителями ядерных сил. Наряду с известными уже нам сильно взаимо­ действующими частицами, такими, как напри­ мер ка-мезоны, нуклон — антинуклонные пары и др., в процессах сильного взаимодействия участвует большое число своеобразных обра­ зований из ядерных частиц — резонансов (о них будет идти речь ниже). Сложность картины усугубляется еш.е тем, что по мере проникнове­ ния в область все более высоких энергий при изучении таких элементарных процессов, как А/—./V, я —N и других сильных взаимодействий, лежащих в основе ядерных сил, открываются все новые и новые резонансы. Все это говорит о том, что на пути разрешения тайны ядерных сил сделаны пока лишь первые шаги. Не уди­ вительно, что эти проблемы занимают цент­ ральное место в физике наших дней.

115

Рассмотренный выше механизм испускания виртуальных пи-мезонов нуклонами позволяет дать представление о возможном объяснении экспериментально установленной внутренней электромагнитной структуры нуклонов.

{Г

Типичным проявлением слабого взаимодей­ ствия является ¡^-радиоактивность — само­

произвольное испускание атомными ядрами электронов. Ответ на то, откуда берутся здесь не входящие в атомное ядро электроны, дает уже известная нам реакция: н е й т р о н - ш п р о ­ то н+ э л е кт р о н+ а н т и н е й т р и н о. Пре­ вращение одной частицы в другую, нейтрона в протон, сопровождается испусканием двух но­ вых частиц. В этой реакции ярко проявляются все основные свойства слабых взаимодействий. Участие в реакции четырех фермионов — одна из характерных особенностей слабых взаимо­ действий. Вторая особенность, которая отли­ чает это взаимодействие от других, — их сила. Слабые взаимодействия значительно сильнее гравитационных и в 1012 раз слабее электро­ магнитных. Они так же, как и сильные, имеют очень короткий радиус действия.

Третьей отличительной особенностью сла­ бых взаимодействий является нарушение так называемой зеркальной симметрии.

В соответствии с общим правилом наличие зеркальной симметрии влечет за собой инва­ риантность теории относительно операций про­ странственной инверсии, что автоматически приводит к некоторому закону сохранения, к сохранению некоторой величины, характери­ зующей участвующие в реакции частицы. Эта

116

величина получила название п р о с т р а н с т ­

принимает значения+1 или —1 в зависимости от того, как ведет себя при преобразовании ин­ версии, т. е. при переходе от координат х, у, г (от правого) к координатам —х, —у, —г (кле­ вому), та функция, которая описывает состоя­ ние частицы *. Существует большая группа ча­ стиц с положительной четностью (Р— +1), функции которых при данном преобразовании инверсии никогда не меняют своего вида, и су­ ществует другая группа частиц, у которых чет­ ность всегда отрицательна (Р = —1). В послед­ нем случае при преобразовании пространствен­ ной инверсии функция состояния частиц всегда меняет знак на противоположный, т. е. умно­ жается на —1. Закон сохранения четности тре­ бует, чтобы при пространственной инверсии функция состояния вступающих в реакцию ча­ стиц вела себя так же, как и функция состоя­ ния продуктов реакции. Это соответствует тому, что вероятность процесса, который получается отражением рассматриваемой картины в зер­ кале, будет такая же, как и для исходного. Фи­ зики все время были твердо убеждены в том, что закон сохранения пространственной четно­ сти является универсальным законом сохране­ ния и выполняется для всех без исключения

*Понятие пространственной четности Р является чисто квантовомеханическим понятием. Поэтому, чтобы дать

представление об этой величине, мы вынуждены вос­ пользоваться тем, что в квантовой механике состоя­ ние частицы, системы описывается некоторой функци­ ей, так называемой волновой функцией состояния.

117

процессов взаимодействия элементарных ча­ стиц. Не было никаких экспериментальных данных, которые бы в той или иной мере про­ тиворечили этому.

Но вот в 1956 г. произошло событие, кото­ рое потрясло до основания все сложившиеся к этому времени представления.

Было обнаружено, что симметрия между правым и левым в процессах слабого взаимо­ действия нарушается. Оказалось, что вопреки ожиданиям в процессе радиоактивного бетараспада испускаемые при этом электроны вы­ летают из ядра преимущественно в направле­ нии спина ядра.

Если бы этот процесс был зеркально-сим­ метричен, то электроны должны были бы вы­ летать по направлению спина и против него в совершенно одинаковом количестве. Ведь при зеркальном отражении направление спина (собственного момента вращения) по отноше­ нию к направлению вылета частиц изменяется на обратное. Поэтому только при условии аб­ солютного равноправия в вылете электронов по направлению спина и против него поворот спина оставит общую картину процесса совер­ шенно неизменной. Таким образом, при бетараспаде наблюдается явное нарушение зер­ кальной симметрии, а следовательно, и несохранение пространственной четности.

В дальнейшем было показано, что в отли­ чие от электромагнитных и сильных взаимо­ действий, для которых закон сохранения про­ странственной четности остается незыблемым, нарушение закона сохранения четности — ха­ рактерная, неотъемлемая особенность всех без

118

исключения процессов слабых взаимодей­ ствий.

Напомним, что это фундаментальное откры­ тие принадлежит двум работающим в США китайским физикам Ли и Янгу, получившим за это в 1957 г. Нобелевскую премию. Экспери­ ментально несохранение четности в слабых взаимодействиях было обнаружено профессо­ ром Ву при исследовании направления вылета электронов из ядер радиоактивного кобальта.

Вслед за этим открытием появилась гипо­

риантности, одним из авторов которой являет­ ся академик лауреат Ленинской и Нобелев­ ской премий Лев Давидович Ландау. Суть ее заключается в том, что если наряду с зеркаль­ ным отражением Я провести операцию заря­ дового сопряжения С, т. е. перейти от частиц к античастицам, то никаких нарушений сим­ метрии (в этом более общем смысле слова) наблюдаться не будет. Уверенность в том, что найдена спасительная идея, ободрила физиков. Принцип СЯ-инвариантности стал мощным и

инадежным инструментом при изучении весь­ ма запутанных явлений в мире элементарных частиц. Это дало свои результаты и привело к большому числу замечательных успехов теории

иопыта.

Но вот на Международной конференции в Дубне (август 1964 г.) прозвучало сенсацион­ ное сообщение группы американских физиков о том, что ими получены экспериментальные данные по распаду /(0-мезонов, которые можно

119

интерпретировать как нарушение комбиниро­ ванной четности. Трудно описать то впечатле­ ние, которое это сообщение оказало на участ­ ников конференции. Никто из самых извест­ ных, ведущих физиков мира не решился прокомментировать это событие и дать ему ка­ кое-то объяснение. Все сходились лишь на од­ ном: в физике элементарных частиц назревают новые интересные события.

С того времени прошло более полутора лет. Что же мы имеем сегодня?

Прежде всего первые экспериментальные данные полностью подтвердились. Появилось более десятка различных гипотез, направлен­ ных если не на спасение незыблемости прин­ ципа сохранения комбинированной четности, то хотя бы на разумное объяснение механиз­ ма этого нарушения. Можно восхищаться ост­ роумием, оригинальностью высказанных идей и предложений, но, к сожалению, вместе с тем нужно констатировать, что пока удовлетвори­ тельного, непротиворечивого объяснения не найдено. Оно еще впереди. Правда, одновре­ менно несколько притупились те первоначаль­ ные опасения, что обнаруженное нарушение СЯ-инвариантности в процессе /С°-распада при­ ведет к решительному, коренному перевороту во всей теории элементарных частиц, посколь­ ку более четко определились те области фи­ зики, которые затрагивают это открытие. Ста­ ло ясно, что речь идет о некотором ограничен­ ном круге явлений в физике элементарных частиц.

Весьма серьезной проблемой теории слабых взаимодействий, над решением которой в по­

120

следние годы безуспешно бьются физики круп­ нейших научных центров мира, является воп­ рос о возможном существовании п р о м е ж у-

ствия, подобных фотонам в электромагнитных взаимодействиях и, например, пи-мезонам в сильных взаимодействиях. В Брукхевене и в ЦЕРНе были поставлены грандиозные экспе­ рименты с использованием самых мощных ны­ не действующих в мире ускорителей, много­ тонных мишеней и камер для регистрации на­ блюдений. В итоге этих опытов сделан целый ряд принципиально важных открытий. Как уже упоминалось, обнаружено два типа нейт­ рино — м ю о н н о е и э л е к т р о н н о е , но сам вопрос о существовании векторных мезо­ нов остался открытым. Удалось лишь устано­ вить, что если они существуют, то масса их должна быть по крайней мере больше массы двух нуклонов. Это означает, что для прове­ дения дальнейших опытов такого род'а нужны ускорители еще большей мощности. Опреде­ ленные надежды возлагаются и на экспери­ менты с космическими нейтрино.

Перед теорией слабых взаимодействий мно­ го нерешенных проблем, и поэтому исследова­ ния в этом направлении стоят в центре внима­ ния многих известных экспериментаторов и теоретиков. Среди них ряд ведущих советских физиков, таких, как лауреат Ленинской премии академик Б. М. Понтекорво (крупнейший спе­ циалист по физике нейтрино), академик Я. Б. Зельдович, член-корреспондент АН СССР

А. М. Марков и многие другие.

121