книги из ГПНТБ / Богуш А.А. Элементарные частицы

Принято говорить, что частице 2~— сигма-

минус-гиперону соответствует 2 +—анти-сигма- минус гиперон, а частице 2 + — сигма-плюс-ги-

перону соответствует античастица — анти- сигма-плюс-гиперон и т. д.

В связи со сказанным выше следует под­ черкнуть, что отличие в знаках электриче­ ского заряда не является единственным и до­ статочным признаком отличия частицы от античастицы. Имеется ряд пар частица — анти­

частица, например К0— К0, А0— А0, 2°-—2°,

3 ° — з°, которые вообще не обладают электри­ ческим зарядом.

Как в этом случае отличить частицу от ан­ тичастицы, мы узнаем несколько позже. Заме­ тим лишь, что это связано с необычайным бо­ гатством и многообразием проявлений внут­ ренних свойств частиц.

Как следует из принятого нами определения элементарной частицы, одним из сущест­

венных ее признаков является значение массы покоя. Поэтому в табл. 1 сразу же вслед за названиями частиц приведены значения их масс (см. графу 3). Из таблицы видно, что име­ ются две частицы — -у и V (фактически их пять—1 фотон и 4 нейтрино), масса покоя ко­ торых равна нулю. Массы всех других частиц выражаются числами, показывающими, во сколько раз они тяжелее самой легкой из об­ ладающих массой частиц — электрона. Таким образом, за единицу массы элементарной ча­ стицы принята масса электрона, равная 9,1 X ХЮ 28 г. Это, например, означает, что масса

71

покоя протона, определяемая числом 1836,1,

равна 1836,1 -9,1 • 10 ~28 г=1,6710~24г.

Выше уже отмечалось, что массы частиц удобно выражать в энергетических единицах, используя известное соотношение между мас­ сой и энергией: Е = т0с2. Чтобы перейти от од­ них единиц к другим, достаточно запомнить, что массе покоя электрона соответствует энер­ гия 0,511 Мэе. Тогда, пользуясь данными табл. 1, нетрудно найти величину энергии покоя для любой частицы. Например, в случае того же

говорят: «Масса электрона равна 0,511 Мэе, масса протона составляет 938,2 Мэе».

Конечно, масса и энергия — это совершен­ но разные вещи, однако ничто нам не мешает выбрать такие единицы измерения, чтобы эти две различные величины выражались одина­ ковыми числами. Для этого достаточно, как это обычно делается в теории элементарных частиц, все величины выразить в системе так называемых атомных единиц, в которой ско­ рость света с и постоянная Планка к принима­ ются равными 1.

Вследующей, четвертой графе табл. 1 при­ ведена уже знакомая нам внутренняя ха­

рактеристика элементарной частицы — значе­ ние ее собственного механического момента — спина (в единицах элементарного момента, равного постоянной Планка к). Из таблицы следует, что имеется весьма ограниченный на­ бор допустимых значений спина, присущих из-

72

вестным частицам, а именно 0, 1/2 и 1*. Боль­ шинство частиц обладает спином 1/2, лишь не­ большая группа частиц имеет спин 0 и только одной частице — фотону приписывается спин, равный 1.

Различие в значениях спина, как показыва­ ет теория, блестяще подтвержденная опытом, весьма своеобразно сказывается на поведении и свойствах элементарных частиц. В частности, совершенно по-разному ведут себя частицы с целым спином (0 и 1) и частицы с полуцелым спином (1/2). В соответствии с этим все эле­ ментарные частицы (включая и резонансы) разбиваются на две основные группы: ф е р ­ м и о н ы — частицы с полуцелым спином и б о ­ з о н ы — частицы с целым спином.

Характерной особенностью фермионов, отли­ чающей их от бозонов, является то, что никог­ да в одном и том же состоянии не может на­ ходиться одновременно более одной частицы данного сорта (принцип Паули). Именно это обусловливает закономерности застройки элек­ тронной оболочки атомов и тем самым дает физическое обоснование сущности периодиче­ ского закона химических элементов, гениально предугаданного Д. И. Менделеевым.

Интересно также обратить внимание на то, что весь материальный мир построен именно из фермионов (электронов, протонов, нейтро­ нов), в то время как бозоны (фотоны, л- и /(-мезоны) играют роль связующих агентов, являются носителями взаимодействий между

*В дальнейшем среди резонансов мы встретимся н с большими -значениями спина: 3/2, 2, 5/2 и т. д.

73

структурными элементами атомов и ядер. Мы уже знаем, что фотоны ответственны за элект­ ромагнитные. силы, связывающие электроны с ядром, а мезоны являются носителями ядерных сил, скрепляющих протоны и нейтроны в ядре.

Чтобы завершить наше знакомство с таб­ лицей элементарных частиц, необходимо остановиться еще на одной важнейшей их ха­ рактеристике. Эта сугубо специфическая осо­ бенность элементарных частиц отражена в гра­ фе 3 табл. 2. Речь идет о продолжительности существования частицы, или, как говорят, об ее времени жизни. Мы уже неоднократно упо­ минали о различных случаях превращения одних частиц в другие (аннигиляция и рожде­ ние электронно-позитронных пар, бета-распад нейтрона, распад я- и р-мезоиов и т. д.). Взаимопревращаемость одних частиц в другие — это отличительное свойство всех элементарных частиц. Только немногие частицы могут суще­ ствовать сколько угодно долго, оставаясь са­ мими собой. Их называют с т а б и л ь н ы м и . Это — электрон, протон, фотон и нейтрино. Все остальные существуют, «живут» в течение весьма ограниченного и, как правило, ничтож­ ного времени. Причем время жизни частицы не может изменяться как угодно, оно имеет, как показывает опыт, вполне определенное значение, является специфической характери­ стикой данной частицы. Несколько ниже мы увидим, что, зная время жизни частицы, мож­ но сказать о том, как она будет себя вести, как

74

О сн ов н ы е п р о ц е с с ы о б р а з о в а н и я и р а с п а д а э л е м е н т а р н ы х ч а с т и ц

рстабилен

79

ры самих ядер, обмен энергией между средой и какой-либо частицей практически отсутству­ ет. Поэтому уже две сталкивающиеся частицы или даже одно ядро можно считать замкнутой системой, в которой должен выполняться за­ кон сохранения энергии, если он универсален. Убеждение в том, что этот закон должен вы­ полняться во всех без исключения физических явлениях, сделало его одним из руководящих принципов исследования в ядерной физике и физике элементарных частиц.

Однако нельзя сказать, что процесс распро­ странения закона сохранения энергии на

явления микромира проходил гладко и беспре­ пятственно, как нечто само собой разумеюще­ еся. В 30-х годах нашего века, когда, казалось, последние сомнения в справедливости этого за­ кона давно исчезли, развитие физики элемен­ тарных частиц как будто поставило ученых пе­ ред фактом его явного нарушения. Было обна­ ружено, что при бета-распаде ядер, который заключается в самопроизвольном испускании электрона (или позитрона) ядром, вылетаю­ щий электрон уносит с собой то большее, то меньшее количество энергии.

Рассмотрим это явление с точки зрения за­ кона сохранения энергии. При бета-распаде одинаковых ядер образуются новые, также со­ вершенно одинаковые ядра. Поэтому во всех таких случаях, во-первых, должна выделяться одна н га же энергия, а, во-вторых, если элект­ рон — единственная частица, появляющаяся при бета-распаде, то распределение кинетиче­ ской энергии между нею и ядром во всех

80

случаях должно быть абсолютно одинаковым, электрон должен был бы вылетать из ядра с одной и той же кинетической энергией. Но опыт явно противоречит этому. Следовательно, за­ кон сохранения энергии как будто явно нару­ шается при бета-распаде. Кроме того, как ока­ залось, в этом явлении не выполняются зако­ ны сохранения импульса и момента вращения. Слишком много нарушений, если считать, что бета-распад сводится лишь к испусканию электрона (или позитрона) радиоактивным яд­ ром! Но чему верить? Законам сохранения, ко­ торые во всех случаях себя оправдывали на протяжении многих лет, или единственному явлению, которое упорно противоречило этим законам?

Ученые пошли по первому пути. Они рас­ суждали примерно так: законы сохранения вы­ полняются и в бета-распаде, но, по-видимому, не все возникающие при распаде ядра части­ цы фиксируются при эксперименте. Но физики не могли обнаружить хотя бы еще одну части­ цу, которая бы одновременно с электроном по­ кидала ядро. И это продолжалось вплоть до

1956 г.!

Тем не менее убеждение в справедли­ вости законов сохранения было настолько ве­ лико, что все ухватились за спасительную идею, высказанную в 1931 г. немецким уче­ ным В. Паули о том, что при бета-распаде должна появляться, помимо электрона, новая частица. Эта частица была названа н е й т р и- но. В. Паули предсказал почти все ее свойст­ ва. 25 лет приходилось верить на слово, что такая частица существует. За это время было