Фізика (Чоплан П.П

у складі Е. Сегре, О. Чемберлена та інших при бомбардуванні мідної мішені протонами, прискореними в бетатроні Каліфорнійського уні­ верситету до енергії 6,3 БеВ.

Антипротон має масу, що дорівнює масі протона, і заряд, однако­ вий за значенням і знаком з електроном. Спін антипротона дорівнює

1 h

—— . Магнітний момент однаковий за значенням з магнітним мо- 2 2π

ментом протона, але має від’ємний знак, тобто напрямлений проти­ лежно спіну. Отже, =2,7929μΛ. Антипротон позначають симво­ лом р.

Протон і антипротон, подібно до електрона і позитрона, утворю­ ють систему частинка — античастинка. Якщо в системі електрон — позитрон позитивно заряджена частинка після проходження через речовину швидко анігілює, то в парі частинок протон — антипротон стабільною є саме позитивна частинка — протон. Антипротон, хоч і стабільний у вакуумі, проте в речовині швидко анігілює з протоном, утворюючи π- і ϋΓ-мезони і рідше жорсткі γ-фотони. Отже, поряд з електронно-позитронним вакуумом має існувати протонно-антипро- тонний вакуум. Антипротон відносно протона є античастинкою. Про­ тон є однією з найважливіших складових частинок складних ядер і сам становить ядро атома гідрогену. Разом з електроном протон утво­ рює нейтральний атом гідрогену. Можна уявити собі обернену систе­ му, тобто систему антипротон — позитрон, яка буде за всіма власти­ востями (оптичними, хімічними, магнітними та ін.) аналогічна ато­ мам гідрогену. Це буде антиатом гідрогену.

Елементарна частинка нейтрон має масу майже однакову з масою протона, але не має електричного заряду. Внаслідок цього нейтрону властива велика проникна здатність, оскільки він під час руху в речовині не витрачає енергію на йонізацію, випромінювання тощо. Крім того, через відсутність кулонівського відштовхування нейтро­ ни дуже легко проникають в атомні ядра і тому є дуже ефективними частинками, які спричинюють ядерні реакції з усіма ядрами атомів. Маса нейтрона дорівнює 1838,6 електронним масам, а електричний

1 h

заряд — нулю. Спін нейтрона дорівнює 7: — » а магнітний момент

2 2п

нейтрона μη =-1,9131μΛ. Позначають нейтрон символом п: інколи

1л або оΛ· Це вказує на те, що його масове число — одиниця, а за­ ряд дорівнює нулю. Нейтрон є нестабільною елементарною частин­ кою і після його звільнення з атомного ядра через деякий час розпа­ дається. Період піврозпаду нейтрона 16,9 хв. Він розпадається за такою схемою:

де ve — електронне антинейтрино.

508

Античастинкою відносно нейтрона є антинейтрон. Це елементар­ на частинка з тією самою масою, як і нейтрон, із зарядом, що дорів-

1 h

нює нулю, і спіном —— . Магнітний момент антинейтрона дорівнює

2 2п

за абсолютним значенням магнітному моменту нейтрона, проте проти­ лежний йому за знаком. Антинейтрон позначають символом п. Упер­ ше антинейтрони виявили (1956 р.) американські фізики Б. Корк, Г. Ламбертсон, О. Піччоні, В. Вензель, які спостерігали антинейтро­ ни, що виникли в результаті перезарядження антипротонів, при русі їх через речовину. Реакція перезарядження полягає в обміні заряда­ ми між нуклоном і антинуклоном за такою схемою:

Вихід цих реакцій дуже невеликий, однак все ж вдається спосте­ рігати виникнення антинейтронів. Відкриття антинейтронів поряд з відкриттям антипротонів є блискучим підтвердженням сучасної те­ орії елементарних частинок.

Дослідження космічного випромінювання методом фотоемульсій, а також з камерами Вільсона спеціальних конструкцій привели до відкриття важких нестабільних частинок, які названо гіперонами. Маса гіперонів більша від маси нуклонів (протонів і нейтронів), але менша від маси дейтронів. Нуклони і гіперони належать до групи баріонів, тобто важких частинок. їх позначають великими літерами грецького алфавіту. Існують нейтральні й заряджені гіперони, спін

їх дорівнює

При деяких зіткненнях піона з нуклоном піон зникав, а замість нього народжувався новий мезон, який назвали К-мезоном, або каоном. Нуклон при цьому перетворювався в нову частинку. Ця нова частинка, як і нуклон, була баріоном. Час життя її був близько

Ю“10 с. Якщо вона розпадалась, то з’являвся піон і нуклон і все по­ верталось у вихідний стан, тільки з «додачею» іГ-мезона. Порівняно з ядерним часом тривалість життя Ю~10 с досить велика, і нові баріо­ ни з цієї точки зору можна розглядати як стабільні.

Гіперони народжуються при зіткненні піонів високої енергії з нуклонами. При цьому утворюються, зокрема, Х°-гіперони з масою 2182,75теу два різних сигма-гіперони з майже однаковими маса­ ми (Σ+ з масою 2327,6те і Σ" з масою 2342,6те ), а також ней­

тральний сигма-гіперон (Σ0). Час життя його 10“14с або менший.

Маса Σ0-гiπepoнa близька до маси Σ+- і Σ_-ΓΐπβροΗΐΒ і дорівнює 2333,4те. Крім Σ- і Λ-гіперонів було виявлено й інші гіперони. Не­ звичними здалися фізикам два ксі-гіперони Ξ” і Ξ0, які розпада­

509

По-перше, незвичним було те, що ксі-гіперонинерозпадались відразу на нуклони, а обов’язково спочатку перетворювались в ламб- да-гіперон. По-друге, у ксі-гіперона Ξ” не виявилось позитивно за­ рядженого антипода. Ксі-гіперони були схожі на пару нуклонів, а не

Останній представник гіперонів, який привернувдо себе увагу, це Ω” (омега-мінус-гіперон), маса якого дорівнює 3278те, час жит­ тя — 1,3 · ІО-10 с. Утворюється він також при зіткненні піона з нук­ лоном, але в супроводі трьох каонів:

Вперше Q“ -rinepoH виявлено на Брукхейвенському синхротроні 1964 р. при здійсненні реакції:

При цьому було одержано 300 тис. знімків і лише на восьми з них виявлено сліди Ω “-ΓΐπβροΗΐΒ. На цих самих знімках було зафіксовано і розпад Q“-rinepoHiB. Q“ -rinepoH випромінює піон п~ і перетворю­ ється в Ξ0-гіперон. Ксі-нуль-гіперон, у свою чергу, розпадається на Х°-гіперон і нейтральний піон. Нейтральний піон, як ми знаємо, пере­ творюється на два фотони, кожний з яких народжує пару електрон — позитрон. Х°-гіперон перетворюється в протон і негативний піон.

Отже, гіперони беруть свій початок від нуклонів. Нуклони є та­ кож кінцевими продуктами їхнього розпаду. Саме це дає змогу роз­ глядати гіперони як збуджені нуклони. На користь такої думки свідчить і той факт, що гіперони здатні заміняти нуклони в атомних ядрах, унаслідок чого виникають нестабільні гіперядра.

18.5. Резонанси

Формально резонанси відрізняються від інших частинок меншим часом життя. Кожний резонанс характеризується кількома способа­ ми розпаду. Чим більша ефективна маса резонансної частинки, тим більше в неї способів (каналів) розпаду. Звичайні елементарні час­ тинки стабільні відносно сильної взаємодії і розпадаються внаслідок

510

слабкої взаємодії або в результаті електромагнітної взаємодії, а де­ які з них (фотон, електрон, нейтрино, вільний протон та їхні анти­ частинки) стабільні відносно всіх видів взаємодії. Резонанси вини­ кають і розпадаються в результаті сильної взаємодії, тому їх зарахо­ вують до адронів.

Загальноприйнятої термінології щодо резонансів ще немає. Для позначення резонансів використовують літери грецького (η, ω, ρ, Ξ), латинського (Κ , Ν, Υ) та інших алфавітів.

У 1960 р. було започатковано новий період експериментальної фізики високих енергій відкриттям великої кількості резонансних частинок. Першу резонансну частинку масою 1237 МеВ виявив (1952 p.) Е. Фермі в Чиказькому університеті. Багато резонансів було передбачено теоретично на підставі припущення про існування ви­ щих симетрій сильних взаємодій, а також при вивченні внутрішньої структури нуклонів. Проте справжній інтерес до резонансних станів виник лише після відкриття групою JI. Альвареса мезонного резо­ нансу з масою приблизно 0,8 ГеВ, чим було започатковано новий етап розвитку фізики елементарних частинок.

Графіки перерізу розсіяння п+- і 7Г-мезонів на нуклонах залеж­ но від енергії розсіюваних піонів зображено на рис. 18.1. Істотна особливість графіків — їхня немонотонність, наявність резонансних піків за певних значень енергії. Як видно з графіків, найбільший пік припадає на енергію піонів 0,18 ГеВ. Цей пік свідчить про на­ явність резонансних умов розсіяння, чому відповідає, як пізніше з’я­ сувалося, утворення на короткий час зв’язаного стану з піона і нук­ лона, тобто нетривалий час піон і нуклон летять, «злипнувшись» один з одним, а потім роз’єднуються і стають незалежними частин­ ками. Як розглядати такі утворення: як деякий новий стан двох адронів (піона і нуклона) чи як нову частинку? Це питання досить актуальне, оскільки таких резонансних станів (резонансів) відкрито вже близько 100 і кількість їх продовжує збільшуватись.

Виявляється, що резонансам можна приписати такі самі квантові числа, як і звичайним метастабільним частинкам, а тому немає підстав

511

тинки — 5-Ю —23 с, тобто час життя лише в п’ять разів перевищує час, характерний для сильних взаємодій. Такий малий час життя поставив перед фізиками чимало принципових проблем, зокрема вста­ новлення самого існування резонансів: за час 10-23 с безпосередня реєстрація їх неможлива.

Резонанси реєструють опосередкованим шляхом, використовую­ чи закон збереження імпульсу, узагальнений на релятивістський ви­ падок. Отже, ідея реєстрації резонансів проста. Конкретна ж її реалі­ зація істотно ускладнюється насамперед через принцип тотожності частинок у квантовій теорії.

Спін резонансів визначають, додаючи спіни всіх зв’язаних у тако­ му утворенні частинок. При цьому ще додають відносний орбіталь­ ний момент, який не менший за одиницю, тому спіни резонансів часто перевищують одиницю.

За аналогією з метастабільними частинками резонанси можна охарактеризувати ізотопічним спіном, який набуває для них значень 1/2, 3/2, 5/2 і т. д.

Існує два великих класи резонансів: мезонні й баріонні (з нульо­ вою і відмінною від нуля дивністю). Мезонні резонанси спостеріга­ ються при (ππ)-, (Кп)-, (ЮО-взаємодіях. Баріонні резонанси реєстру­ ються в реакціях (πΝ), (ΚΝ), (ΝΝ), а також при гіперон-піонних, гіперон-нуклонних і гіперон-гіперонних взаємодіях.

Велика кількість резонансних частинок, з одного боку, сприяє виявленню симетрії сильної взаємодії, а з іншого — ускладнює про­ блему елементарних частинок.

Питання про природу резонансних частинок до цього часу зали­ шається відкритим. Проблема резонансних частинок — одна з най­ складніших у фізиці, розв’язання якої належить майбутньому.

18.6. Античастинки, антиречовина

Одне з найважливіших досягнень сучасної фізики — відкриття особливої симетрії природи, яка полягає в тому, що в кожної час­ тинки речовини існує «двійник» — античастинка. Вона має ту саму масу і спін, але протилежний знак електричного та інших характер­ них зарядів. На існування в природі такої симетрії вперше вказав (1928 ρ.) П. Дірак.

Першою відкритою античастинкою був позитрон (антиелектрон), виявлений 1932 р. у складі космічного випромінювання. Через більш ніж двадцять років в експериментах на прискорювачах високих енергій були відкриті антипротон і антинейтрон. Потім на прискорю­ вачах вдалося спостерігати велику групу нестабільних частинок — антигіперонів. Зокрема, одна з таких частинок — анти-сигма-мінус- гіперон — була відкрита на синхрофазотроні в ОІЯД м. Дубни. Анти-

512

частинки можуть народжуватися лише в парі зі своїм двійником — звичайною частинкою. Енергія, що витрачається на утворення пари частинки — античастинки, дорівнює 2тс , де т — маса частинки. Наприклад, у разі народження пари електрон — позитрон витра­ чається енергія 1,02 МеВ.

Усі ці античастинки належать до класу елементарних частинок. Із теоретичних уявлень випливає, що поряд з елементарними анти­ частинками мають існувати їхні складові системи — антиядра, скла­ довими елементами яких є антипротони і антинейтрони. Більше того, атому кожного хімічного елемента таблиці Д. І. Менделєєва відпові­ дають атоми антиелементів, що складаються з антиядер і антиелек­ тронів (позитронів). Отже, поряд з будь-якою хімічною сполукою звичайної речовини можуть існувати аналогічні хімічні сполуки, побудовані з атомів антиречовини. Інакше кажучи, сучасна теорія припускає, що у Всесвіті можуть існувати ділянки з антиречовиною. Вони відрізняються від звичайної речовини лише тим, що замість електронної оболонки «звичайних» атомів в «антиатомах» оболонка складається з позитронів, а замість атомних ядер містяться відповідні антиядра.

Характерною особливістю взаємодії частинок з античастинками є те, що при зіткненні вони можуть анігілювати, точніше перетворю­ ватись у випромінювання або в частинки меншої маси. Так, позитрон, зіткнувшись з електроном, може перетворитися в два або три γ-кван- ти (див. підрозділ 17.12), антипротон при зіткненні з протоном — у кілька мезонів, які потім або поглинаються речовиною, або роз­ падаються. Через реакцію анігіляції «антиречовина» не може ста­ більно існувати разом із речовиною. В такій «суміші» неперервно знищувалися б частинки і античастинки доти, доки один з її ком­ понентів повністю не «вигорів» би. Оскільки при анігіляції виді­ ляється значна енергія, суміш речовини і антиречовини становить «ідеальне» паливо максимально можливої калорійності. Воно при­ близно в тисячу разів калорійніше від палива на основі ядерного поділу. Внаслідок великого енерговиділення при анігіляції речовини і антиречовини гіпотеза існування «антисвітів» (тобто ділянок, що складаються з антиречовини) часто використовувалась астрофізика­ ми для пояснення незрозумілих потужних джерел випромінювання у Всесвіті.

Із введенням в експлуатацію потужних прискорювачів елемен­ тарних частинок на енергію в десятки мільярдів електрон-вольтів істотно розширились можливості експериментального вивчення ан­ тиречовини. Справа в тому, що для народження античастинок при зіткненні частинок високої енергії важливо, щоб енергія бомбар­ дуючої частинки була досить великою. Наприклад, реальна мож­ ливість спостережень антипротонів з’явилась тоді, коли було спо­ руджено прискорювачі протонів до енергій 6... 10 ГеВ. На прискорю­

513

вачі, розрахованому на енергії близько ЗО ГеВ, було виявлено антидейтерій.

Перше антиядро-антидейтрон одержали 1965 р. американські фізи­ ки під керівництвом JI. Ледермана. Можливість же спостерігати антиядро наступного за гідрогеном елемента таблиці Д. І. Менделєє­ ва — гелію відкрилась, по суті, тільки з введенням в експлуатацію Серпухівського прискорювача протонів з максимальною енергією 76 ГеВ. Ядро антигелію складається з двох антипротонів і одного антиней­ трона.

Труднощі, які виникли перед експериментаторами, полягали у тому, що ядра антигелію потрібно було шукати серед великої кількості інших частинок, які утворюються при зіткненні частинок високих енергій. їх виділяли з маси інших частинок одночасно за кількома ознаками, зокрема за електричним зарядом, швидкістю руху части­ нок, які визначались різними методами. Це дало змогу надійно за­ реєструвати ядра антигелію. За час вимірювання через експеримен­ тальну установку було пропущено понад 2-Ю 11 частинок, серед яких виявилося п’ять ядер антигелію. Відкриття ядер антигелію має ве­ лике принципове значення, оскільки воно підтверджує теоретичну концепцію існування антиречовини. А це, у свою чергу, сприятиме глибокому розумінню процесів, які відбуваються у Всесвіті, а також його еволюції.

Якби були можливими накопичення антиречовини, то процеси, які в них можуть відбуватися, не відрізнялись би від тих, що існу­ ють у звичайній речовині. Таке накопичення антиречовини, яке за своїми масштабами еквівалентне, наприклад, галактиці, можна на­ звати антигалактикою.

Можна припустити, що поряд з галактиками існують антигалактики. При зіткненні антигалактик із звичайними космічними утво­ реннями мають відбуватися грандіозні катастрофи у Всесвіті, які супроводжуються грандіозними вибухами з виділенням величезної кількості випромінювання. Можливо, що цими процесами можна по­ яснити спалахи нових зірок та інші космічні явища.

18.7. Взаємоперетворення елементарних частинок — основа сучасної атомістики

На сучасному рівні пізнання мікросвіту підтверджується атоміс­ тична картина будови матерії, яку передбачали стародавні філосо­ фи. Однак нова атомістика елементарних частинок якісно відрізняє­ ться від атомістичних уявлень минулого. Елементарні частинки не є незмінними, найпростішими елементами: вони можуть перетворю­ ватися одна в одну в процесі взаємодії, народжуватись або поглина­ тись різними компонентами частинок, що взаємодіють.

514

Відкриттям антипротона наприкінці 1955 р. встановлено, що не існує будь-яких груп елементарних частинок, які не могли б пере­ творитись у інші елементарні частинки. Тепер взаємоперетворю­ ваність елементарних частинок можна вважати експериментально встановленим фактом для найпростіших форм матерії. В загальній взаємоперетворюваності елементарних частинок виражена одна з найосновніших властивостей матерії — її здатність перетворюватись із однієї форми в іншу, якісно відмінну.

Усі важкі мезони перетворюються або в π-мезони, або в π-мезони

іпари лептонів (μ-мезони, електрони, нейтрино), або в пари леп­ тонів. У свою чергу, заряджені π-мезони перетворюються в μ-мезони

інейтрино, а μ-мезони далі перетворюються у стабільні електрони і нейтрино; нейтральні π-мезони перетворюються в пари γ-фотонів. Отже, всі без винятку мезони перетворюються в стабільні легкі час­ тинки — позитрони, електрони, нейтрино і γ-фотони.

Дещо інакше перетворюються важкі частинки. Остаточно всі важкі частинки (важчі від протона) перетворюються в стабільні протони, позитрони, електрони, нейтрино і фотони. Електрон, маючи наймен­ шу масу в спектрі мас елементарних частинок, займає найнижчий рівень у ньому, якщо цей спектр вважати подібним енергетичним рівням деякої квантово-механічної системи. Цей рівень стабільний, оскільки переходи можуть відбуватися лише з більш високих рівнів на найнижчий у спектрі рівень. Розпад з цього рівня у фотони, елек­ тричний заряд яких дорівнює нулю, заборонено законом збереження електричного заряду. Це відразу приводить до стабільності електро­ на. Звичайно, пара електрон — позитрон перетворюється у фотони за законом збереження електричного заряду і експериментально спо­ стерігається. Протон у парі з антипротоном також перетворюється у фотони.

Отже, в результаті процесів розпаду і процесів народження всі елементарні частинки можуть перетворюватись у найлегші частин­ ки — нейтрино і фотони. Теоретично також очевидно, що нейтрино і антинейтрино також можуть перетворюватись у фотони. При цьо­ му допускається, виходячи з узагальнень дослідних даних, що всі відомі елементарні частинки мають відповідні античастинки і мо­ жуть спонтанно перетворюватись у фотони або частинки, що розпа­ даються на фотони.

Закон взаємоперетворення елементарних частинок можна сфор­ мулювати так: будь-які елементарні частинки можна повністю пере­ творити у фотони або безпосередньо, або в сукупності з відповідни­ ми античастинками. Тут спостерігається також взаємоперетворення частинок і фотонів. При всіх взаємоперетвореннях частинок викону­ ються всі універсальні закони збереження: енергії (маси), імпульсу, спіну та зарядів (електричного, баріонного і лептонного). До неабсо­ лютних законів збереження належать закони збереження дивності

515

та парності. Вони зберігаються для сильних і електромагнітних вза­ ємодій і порушуються у випадку слабких взаємодій. Закон збере­ ження ізотопічного спіну справджується тільки для сильних взаємо­ дій і порушується для електромагнітних і слабких.

Досвід засвідчує, що взаємоперетворення елементарних частинок зумовлене законами збереження, які не допускають довільних ре­ акцій. Проте завжди можна підібрати ланцюг реакцій, за допомогою яких можна перетворити один вид частинок і античастинок в інші. Матерія у своїх найпростіших формах може перетворюватись із однієї форми в будь-яку іншу, якісно відмінну, але можливість перетво­ рення окремих найпростіших форм обмежується законами збережен­ ня. Вони виражають незнищуваність різних атрибутів матерії.

Закони збереження, що мають місце в процесах взаємоперетворення найпростіших форм матерії, якісно різняться між собою. Деякі зако­ ни виражають кількісне збереження різних форм руху (збереження імпульсу, енергії і моменту кількості руху). Друга група законів вира­ жає збереження основних якісних відмінностей різних найпростіших форм матерії (збереження електричного, баріонного і лептонного за­ рядів). Нарешті, важливе значення при взаємоперетвореннях елемен­ тарних частинок має закон збереження загальної маси системи.

Наприклад, баріонний заряд замкненої системи частинок не може змінитися, а загальна кількість важких частинок у цій сукупності не може зменшитись. Можуть лише утворитися пари частинок і анти­ частинок, але це не змінює баріонного заряду і, отже, не приводить до зменшення кількості важких частинок. Збереження баріонного заряду забезпечує стабільність речовини, тобто неможливість пере­ творення нуклонів, що входять до складу ядра, в легкі частинки і фотони. Отже, закон збереження баріонного заряду виражає збере­ ження глибокої якісної відмінності групи важких частинок від усіх інших. Якщо, наприклад, баріонний заряд у системі дорівнює нулю, то частинки з відмінним від нуля баріонним зарядом, тобто важкі частинки, можуть виникати лише парами полярно протилежних час­ тинок з позитивним і негативним баріонними зарядами.

Існування лептонів зумовлює закон збереження лептонних зарядів. Як і баріони, лептони є ферміонами, тобто мають півцілий спін. Проте вони не можуть перетворюватись у баріони у зв’язку з дією закону збереження баріонного заряду.

Збереження електричного заряду виражає збереження особливої властивості у частинок створювати електричне поле. Цю властивість можуть мати частинки всіх груп, крім нульової (фотона). Отже, закони збереження зарядів елементарних частинок виражають збереження основних якісних відмінностей елементарних частинок. Ці якісні відмінності можуть виникати лише у взаємних протилежностях, тобто у позитивних і негативних зарядах, частинках і античастинках тощо, причому протилежності абсолютно тотожні за всіма властивостями,

516