Фізика (Чоплан П.П

зазначити, що тлумачення законів збереження матерії і руху в мікросвіті не суперечить конкретній формі цих законів, відкритих М. В. Ломоносовим, Р. Майєром, Г. Гельмгольцем та іншими приро­ додослідниками внаслідок узагальнення основних законів дорелятивістської фізики. Вони не суперечать також загальній філософській інтерпретації цих законів.

Отже, зроблені за останню чверть XX ст. фундаментальні відкриття у фізиці елементарних частинок експериментально обґрунтовують загальний закон взаємоперетворюваності всіх найпростіших форм матерії. Цей закон є основою принципово нової атомістики — атоміс­ тики елементарних частинок і стверджує одне з основних положень діалектичного матеріалізму про єдність матеріального світу. Закон взаємоперетворюваності найпростіших форм матерії по-новому роз­ криває взаємозв’язок матерії і руху, а також зміст законів збережен­ ня найпростіших форм матерії. Його можна розглядати як загаль­ ний закон збереження і перетворення матерїі, який можна сфор­ мулювати так: матерія при будь-яких перетвореннях не зникає і не виникає, вона лише перетворюється із однієї форми в іншу. Будь-яка найпростіша форма матерії у відповідних умовах може бути перетво­ рена повністю в будь-яку іншу найпростішу форму.

18.8. Деякі проблеми розвитку фізики елементарних частинок

На першому етапі прагнення якимось чином обмежити кількість елементарних складових матерії привело до обговорення теоретич­ них схем, в яких фундаментальними частинками вважалась лише частина відомих адронів, які розглядались як зв’язані стани, що складаються з фундаментальних адронів. Однак пізніше виявилося, що ці схеми неспроможні описати властивості всіх відомих части­ нок. Зі збільшенням кількості відкритих адронів труднощі, з якими зіткнулись подібні схеми, ускладнювались і ставало все більш оче­ видним, що адрони не можуть бути елементарними утвореннями, що елементарні частинки, якщо вони існують, мають бути об’єкта­ ми якоїсь іншої природи.

Адрони з цілочисловим спіном називають мезонними, оскільки перші виявлені мезони (π, К) мали масу, проміжну між масою елек­ трона і протона. Адрони з півцілим спіном унаслідок значної маси дістали назву баріонних адронів. До них належать нуклони, гіперони і деякі інші частинки.

Знання характеристик адронів дає змогу надійно здійснити їхню класифікацію, тобто виділити групи з однаковими або близькими властивостями. Частину таких досить широких груп ми згадували. Виявляється, що можна виділити й інші групи адронів, близьких одна до одної за деякими ознаками.

518

Найпростішим прикладом таких груп адронів є так звані ізотопічні мультиплети. Ілюстрацією можуть бути такі групи: ρ, τι; π+, π°, π” ; К +, К°> К~; Σ+, Σ°, Σ“ . Існування подібних груп адронів було при­ писане наявності у частинок, що входять до них, особливої характе­ ристики — ізотопічного спіну /, формально подібного до звичайного спіну. Як і звичайний спін, /-спін може мати різні проекції І2 на виділену вісь (/2 — адитивне квантове число). Кожна група (мультиплет) включає в себе в загальному випадку 21 + 1 частинки. Наприк­ лад, для груп і з р і л / = 1/2, а для груп мезонів π+, π , п~ I = 1 і т. д.

Сучасні дослідження спрямовані на пошуки фундаментальних частинок, з яких можна створити всі сильновзаємодіючі частинки, тобто адрони. До цих фундаментальних частинок висувають такі ви­ моги: вони мають бути баріонами і антибаріонами — частинками з відповідно позитивним і негативним баріонним зарядами. їх комбі­ нація сприятиме утворенню баріонного заряду будь-якого адрона. Баріонний заряд мезонів дорівнює нулю, тому їх одержують комбі­ нацією баріона з антибаріоном. Фундаментальні частинки повинні мати мінімальне півціле значення звичайного спіну, щоб із них можна було побудувати частинки з будь-якими цілими і півцілими спіна­ ми. Серед них обов’язково має бути баріон з дивністю, яка дорівнює одиниці, для контролювання дивних частинок. Важливо також, щоб маса фундаментальних частинок не дуже відрізнялась, що може свідчити про однакові значення сильної взаємодії, яка існує між ними. Ще одна вимога пов’язана з ізотопічним спіном фундаментальних частинок. Щоб можна було дістати будь-які ізотопічні мультиплети, у нашому розпорядженні має бути хоча б ізотопічний синглет та ізотопічний дублет.

С. Саката, керуючись цими вимогами, за фундаментальні частин­ ки взяв три баріони:^ протон, нейтрон і λ-гіперон (ρ, η, λ) та їхні античастинки (р, η, λ). Схема Сакати задовільно описує мезонні адро­ ни, але виявляється непридатною для баріонних адронів. Для усу­ нення недоліків схеми Сакати було застосовано октетний формалізм М. Гелл-Манна і Ю. Неймана. Автори октетного формалізму запропо­ нували розширити схему Сакати, вибравши в ролі фундаментальних частинок вісім баріонів замість трьох.

Нову схему виявилось можливим поширити на баріонні адрони. На основі запропонованої схеми Гелл-Манн передбачив існування невідомого в той час Q~-rinepoHa. При цьому за допомогою октетної схеми визначили не лише всі квантові числа передбаченого гіперо­ на, а і його масу. Передбачене значення маси збіглося з експеримен­ тальним значенням, коли Q~"-rinepoH було відкрито у Брукхейвені в двометровій водневій бульбашковій камері, опроміненій К-мезо­ нами.

Проте виявилось, що не всі факти можна пояснити на основі схе­ ми октетної симетрії. Для подолання труднощів октетного формаліз­

519

му М. Гелл-Манн і Дж. Цвейг 1964 р. запропонували кваркову мо­ дель, згідно з якою всі елементарні частинки побудовані з трьох кварків. Незвичним в цій моделі було те, що кваркам приписували­ ся дробові квантові числа (електричний і баріонний заряди). Зокре­ ма, електричний заряд у них мав бути кратним одній третій елемен­ тарного електричного заряду.

У першій формі цієї моделі було запропоновано три типи кварків, позначених літерами и, d9 s, які походять від англійських слів up (вгору), down (вниз), strange (дивний). Носієм дивності був кварк s, тому до складу всіх дивних частинок входив щонайменше один s-кварк, або s-антикварк. У кварковій моделі розподіл мас між адро­ нами відображає розподіл мас між кварками. Отже, оскільки s-кварк значно масивніший від інших кварків, маса дивних адронів значно більша від маси недивних адронів.

Пізніше систему кварків розширили, було додатково введено квар­ ки: «зачарований» (с), «привабливий» (Ь) і «правдивий» (t). Власти­ вості, які приписуються кваркам, наведено в табл. 18.3. Підставою збільшення кількості кварків було те, що зв’язані стани з трьох кварків на зразок иии (Δ+ ), ddd (Δ ), sss (Ω- ) суперечать принци­ пу Паулі. Із табл. 18.3 видно, що всі квантові числа кварків у цих утвореннях однакові. Оскільки кварки мають півцілі спіни і, отже, мають описуватись статистикою Фермі, то в одній системі не може бути не лише трьох, а й навіть двох кварків з однаковим набором квантових чисел.

520

Згідно з кварковою моделлю всі адрони є складними структурами, утвореними з найпростіших складових — кварків. Так, баріони скла­ даються з трьох кварків, мезони — з кварка і антикварна. В табл. 18.4 наведено деякі з цих структурних утворень.

Виходячи з деяких міркувань, зокрема для усунення суперечності з принципом Паулі, було введено поняття «колір» кварка. Виникла думка, що кожний кварк може існувати в трьох «забарвлених» фор­ мах: червоній, зеленій, синій (зазначимо, що суміш цих кольорів дає «нульовий» білий колір). Тоді можна стверджувати, що s-квар­ ки, що утворюють, наприклад Ω~-гіперон, мають різне забарвлен­ ня, тому принцип Паулі не порушується.

Поєднання «кольорів» кварків у випадку адронів мають бути та­ ким, щоб у цілому «колір» адрона був нульовим (тобто адрон має бути «безбарвним»). Так, до складу протона входять кварки и (чер­ воний), и (зелений) і d (синій). У результаті дістають нульовий (білий) «колір».

Антикварки вважаються забарвленими в додаткові «кольори» («антикольори»), що дають разом з «кольором» нульовий «колір». Тому мезони, які складаються з кварка і антикварка, також мають нульо­ вий «колір».

У 1974 р. було відкрито практично одночасно у двох лабораторіях США (в Стенфорді — Б. Ріхтером, в Брукейвені — С. Тінгом) час­ тинку з великою масою, яка дорівнювала 3,10 ГеВ (понад три маси нуклона). В одній із лабораторій новій частинці дали позначення J, У другій — Ψ, у зв’язку з чим цю частинку називають Л'/Ч'-частин-

521

кою (джей-псі-частинкою). Після цього було виявлено інші Ψ-час- тинки з масами 3,69; 3,77 і 4,04 ГеВ, а також група χ-частинок з масами 3,45; 3,51 і 3,55 ГеВ.

Відкриття Ψ- і χ-частинок було підтвердженням запропонованої раніше моделі частинок із чотирьох кварків. Крім и-> d-, s-кварків у цій моделі введено четвертий «чарівний» кварк с (від англ. charming — чарівний). Він відрізняється від інших кварків тим, що квантове число С, яке дістало назву «зачарованість» (його називають також «шарм» або «чарм»), у нього дорівнює одиниці, тоді як для інших кварків воно дорівнює нулю (див. табл. 18.3). До складу «незачарованих» частинок (мезонів і баріонів) с-кварк не входить.

Частинки груп Ψί χ є різними рівнями (станами) систем СС («зача­ ровані» кварк — антикварк). За аналогією з системою електрон — позитрон, яка називається позитронієм, система дістала назву чармоній.

Оскільки «зачарованість» кварка С і його антикварка С дорів­ нює відповідно +1 і -1, квантове число С системи СС дорівнює нулю. Стверджують, що для Ψ- і χ-частинок властива захована «зачаро­ ваність». У 1976 р. було відкрито теоретично передбачені частинки з явною «зачарованістю». їхні властивості наведено в табл. 18.5.

Щоб пояснити властивості відкритої 1976 р. Y-частинки (іпсилончастинки), ввели п’ятий кварк, який позначили b (bottom — нижній або beauty — привабливий) (див. табл. 18.3). Частинки Y (9,46 ГеВ), Y' (10,02 ГеВ), Y" (10,40 ГеВ), Y" (10,55 ГеВ) є різними рівнями ЬЬ. Теоретики передбачили існування шостого кварка, який позначають літерою t (top — верхній або truthful — правдивий). Поки що немає експериментальних даних, для тлумачення яких потрібний був би цей кварк. Проте вчені впевнені, що відповідні частинки будуть відкриті.

Різні типи кварків називають «ароматами», крім того, кварки мають додаткову ознаку, яку називають «кольором» (і аромат, і колір є просто умовними позначеннями, які не мають нічого спільного зі смаковими, зоровими чи іншими відчуттями). Кожний «аромат» кварка існує в трьох «кольорах»: червоному, зеленому і синьому. Кольорова ознака створює основну відмінність між лептонами і квар­ ками. Шість «ароматів» кварків відповідають шести різновидам леп-

522

тонів, але аналога кваркового «кольору» в лептонів немає. Ця відмінність наглядно проявляється на експерименті. Сильна взаємо­ дія відбувається між «кольорами», і, оскільки лептони не мають «ко­ льору», вони не чутливі до сильної взаємодії.

В основному «колір» кварка (подібно до електричного заряду) передає відмінність у властивості, яка визначає притягання і відштов­ хування кварків. За аналогією з квантами полів різних взаємодій (фотонами в електромагнітній взаємодії, π-мезонами в сильній взаємо­ дії і т. д.) було введено частинки-переносники взаємодії між кварка­ ми. Ці частинки назвали глюонами (від англ. glue — клей). Вони переносять «колір» від одного кварка до іншого, в результаті чого кварки утримуються разом.

Ще одна характерна ознака кварків — це їхній електричний за­ ряд. Кварки d, s, b мають заряд -1/3, тоді як заряд кварків ц, с, t дорівнює +2/3. Антикварки d9 s, b і т. д. мають протилежні за зна­ ком електричні заряди, отже, електричний заряд антикварка d до­ рівнює +1/3, антикварка й дорівнює -2/3 і т. д. Антикварки харак­ теризуються також протилежними кольорами: античервоним, антизеленим і антисинім. При утворенні адронів кварки можуть комбі­ нуватися двома шляхами: або об’єднуються три кварки при одному кварку кожного «кольору», або кварк певного «кольору» приєднує до себе антикварк з відповідним «антикварком». Ці комбінації назива­ ють «безкольоровими», і вони, крім цього, мають ще одну важливу особливість. В усіх можливих комбінаціях дробові електричні заря­ ди кварків складаються так, що дають цілочисловий сумарний за­ ряд; ніякі інші комбінації (крім утворених складанням уже дозволе­ них комбінацій) не мають такої властивості. Кварковий склад прото­ на uud, що дає повний електричний заряд 2 /3 + 2 /3 - 1 /3 або +1. Нейтрон складається з кварків uud із зарядом 2 /3 —1/3 —1/3, що в результаті дає нуль. Позитивний піон містить кварк и і антикварк заряди їх +2/3 і +1/3 дають в сумі +1.

Лептони і кварки прийнято розбивати на три покоління. Кожне покоління складається із зарядженого лептона, відповідного йому нейтрино і двох кварків, один з яких має заряд -1/3, а другий +2/3. Перше покоління складається з електрона, електронного нейтрино, кварків d і и. Оскільки кварки існують у трьох «кольорах», це поко­ ління містить вісім частинок, представники інших поколінь спосте­ рігаються практично тільки в лабораторних експериментах з прис­ кореними частинками. В єдиній теорії ці три покоління описуються незалежно, але аналогічним чином.

На рис. 18.2 зображено три покоління лептонів і кварків: заряди в лептонів цілі, у кварків — дробові. Лептони існують у вільному вигляді, а кварки є лише складовими більш складних частинок — адронів. У звичайній речовині містяться частинки лише з першого покоління.

523

Рис. 18.2

Розвиток фізики елементарних частинок допускає складну струк­ туру кварків і лептонів, тобто вони, в свою чергу, складаються із субкварків. Гіпотеза субкварків обговорюється багатьма вченими, хоча нікому ще не вдалося обійти труднощі, які трапляються на цьому шляху, очевидно, тому, що вони мають принциповий характер.

Нині «внутрішність» частинок вивчена до розмірів порядку 10-18 м, але субкварків не виявлено. Досить вірогідно, що фундамен­ тальні фізичні закони, відомі нині, перестають діяти на відстанях, менших ніж 10-18 м, а відкриття субкварків, якщо воно відбудеть­ ся, приведе до зміни основних уявлень про закони природи.

Ми розглянули деякі проблеми фізики елементарних частинок, яка вивчає властивості речовини. Важко передбачити хід розвитку цього розділу фізики. Проте експериментальні результати у сфері фізики елементарних частинок є надійною основою її розвитку в майбутньому.

18.9.Порушення принципу дзеркальної симетрії. Незбереження комбінованої парності

Загальновідомо, яке велике значення має поняття про симетрію простору в неперервних просторово-часових перетвореннях. Вимога одновимірності простору приводить до збереження імпульсу, тоді як із ізотропності простору випливає збереження моменту імпульсу. Однорідність часу проявляється в законі збереження енергії.

Розглянемо інші симетрії природи, пов’язані з можливістю заміни правого на ліве, частинки на античастинку і зворотність плинності

524

часу. Кожну із цих трьох симетрій можна вважати точною відносно сильної і електромагнітної взаємодій частинок, але вони порушуються для слабкої взаємодії.

Ще в далекому минулому вважали, що природа абсолютно симет­ рична, що фізичні процеси не зміняться від того, якщо замінити праве на ліве, частинку на античастинку або навіть звичний плин часу на зворотний. У 1956 р. уперше було висловлено припущення, а згодом підтверджено експериментально, що дзеркально відображе­ ний світ за фізичними властивостями відмінний від реального.

Спроби пояснити деякі загадкові факти в розпадах каонів на два і три піони привели до істинно революційного припущення про те, що природа здатна відрізняти праве від лівого в процесах слабкої взаємодії. Це можливо лише тоді, коли немає так званої дзеркальної симетрії. Дійсно, дзеркальній симетрії відповідає дзеркальне відоб­ раження. Симетрія у цьому разі означає ідентичність лівого і право­ го. Математично дзеркальне відображення оформляється у вигляді заміни знака в однієї з координат (х —>- х ), якщо дзеркало збігаєть­ ся з площиною yz. Більш загальне математичне перетворення, що ґрунтується на заміні знаків у всіх координат (г —>-г), складається із дзеркального відображення з подальшим поворотом на 180° нав­ коло осі, перпендикулярної до площини дзеркала. Таке перетворен­ ня називають інверсією координат.

Дзеркальна симетрія пов’язана з поняттям просторової парності (скорочено Р-парності, від англ. parity — парність).

У квантовій механіці стани об’єктів (мікрочастинок або систем об’єктів) характеризуються хвильовими функціями, а багато фізич­ них характеристик систем квантуються, тобто визначаються кванто­ вими числами. Просторова парність є квантовим числом, яке набуває всього двох значень: +1 і -1; Р-парність дорівнює +1, якщо хвильова функція квантової системи не змінює знак при інверсії координат, і дорівнює -1, якщо хвильова функція змінює знак. Закон збереження просторової парності полягає в тому, що квантово-механічна система може перебувати лише в станах з певною Р-парністю: або Р = +1 (пар­ ний стан), або Р = -1 (непарний стан). Парність стану не змінюється з часом. Збереження Р-парності відображає симетрію фізичних явищ відносно інверсії координат. Вперше закон збереження Р-парності (1924 р.) сформулював німецький фізик О. Лапорт стосовно процесів випромінювання світла атомами. Вчений встановив, що енергетичні рівні атома розбиваються на два класи — парні й непарні, а також, що випромінювання або поглинання фотона супроводжується переходом з рівня з певною парністю на рівень з протилежною парністю. При цьо­ му фотон наділяється від’ємною парністю Р = -1. Отже, Р-парність складної системи дорівнює добутку Р-парностей складових частин.

Тривалий час закон збереження Р-парності вважався справедли­ вим при всіх фізичних процесах, тобто для будь-якої взаємодії. Про­

525

те 1956 р. став роком краху принципу дзеркальної симетрії в мікро­ світі, точніше роком краху універсальності цього принципу. Амери­

канські фізики Т. Лі і Ч. Янг пояснили дивну поведінку 7Г°-мезона, який може розпадатись як на два, так і на три піони. Вони припусти­ ли, що в цьому разі порушується Р-парність. На їхню думку, пору­ шення Р-парності має супроводжувати не лише розпад К 0 -мезонів, а й усі інші процеси, зумовлені слабкою взаємодією. Для перевірки цієї гіпотези вони запропонували експеримент, здійснений в Колум­ бійському університеті (1957 р.) групою фізиків під керівництвом Ц. By. Вони досліджували β"-розпад нукліду 2?^°· Для того Щ°б не порушувалась орієнтація ядер кобальту тепловим рухом атомів, його охолоджували рідким гелієм до температури 0,06 К. Так, «заморо­ жений» зразок поміщався в магнітне поле, а над і під ним встанов­ лювалась система лічильників. При цьому виявилось, що при відносно малому часі спостереження (до ЗО хв) існує асиметрія у вильоті елек­ тронів: β_-4βοτΗΗΚΗ, випромінені орієнтованими ядрами кобальту, вилітають переважно проти напряму магнітного поля. Повторивши дослід при протилежному напрямі поля, напрям переважного вильо­ ту електронів також змінювався на зворотний. Виявлене в дослідах Ц. By переважне випромінювання β- -частинок в одному напрямі свідчить про порушення дзеркальної симетрії.

Експериментально було переконливо доведено, що гіпотеза Т. Лі і Ч. Янга справедлива. Отже, в усіх процесах, зумовлених слабкою взаємодією, Р-парність не зберігається*.

Розвиваючи ідеї Т. Лі і Ч. Янга, американські фізики Р. Фейнман і М. Гелл-Манн висловили гіпотезу про універсальність слабкої взаємо­ дії (1958 p.). Вони звернули увагу на те, що розпади різноманітних елементарних частинок і β-розпад ядер характеризуються одними і тими самими закономірностями. В усіх цих процесах не зберігається просторова парність. Р. Фейнман і М. Гелл-Манн виділили те спільне, що властиве всім частинкам, які беруть участь у слабкій взаємодії. Ним виявився спін частинок.

Багато висновків із гіпотези про універсальність слабкої взаємодії було підтверджено експериментально на початку 60-х років XX ст. Залишалось експериментально виявити слабку взаємодію ядерних частинок. Ураховуючи малість константи слабкої взаємодії порівняно з константою сильної взаємодії (відмінність у 1014 разів), потрібно було виявити дію слабкої взаємодії нуклонів на фоні істотно більш інтенсивної сильної взаємодії. Це вдалося зробити внаслідок власти­ вості слабкої взаємодії не зберігати просторову парність. Слабка взаємо­ дія, яку раніше пов’язували з повільними розпадами елементарних

*3а фундаментальні роботи з проблем симетрії, які привели до важливих відкриттів у фізиці елементарних частинок, Т. Лі і Ч. Янгу було присуджено Нобелівську премію (1957 p.).

526

частинок і з процесами, які відбуваються за участю нейтрино, існує також і між ядерними частинками — протонами і нейтронами.

Отже, вивчаючи слабку взаємодію елементарних частинок, фізики змушені були відмовитися спочатку від універсальності принципу дзеркальної симетрії в природі, вилучивши зі сфери його застосування слабку взаємодію елементарних частинок. Потім установили універ­ сальність слабкої взаємодії, довівши, що вона властива великій кількості елементарних частинок, у тому числі протонам і нейтронам.

Після відкриття порушення принципу дзеркальної симетрії Т. Лі і Ч. Янг сформулювали принцип так званої зарядово-дзеркальної симетрії. Велике значення у формуванні понять, пов’язаних з новим принципом, мають наукові праці JI. Д. Ландау.

Отже, поряд з поняттям Р-парності було введено поняття зарядо­ вої парності, яке позначається літерою С (від англ. charge — заряд) і яке характеризує властивості симетрії мікрооб’єктів щодо заміни знака всіх зарядів, тобто до зарядового спряження.

Новий принцип зарядово-дзеркальної симетрії полягає в тому, що якщо поряд з інверсією координат (дзеркальним відображенням) здійснити одночасно зарядове спряження (замінити частинки на анти­ частинки), то перетворений процес (або мікрооб’єкт) повністю екві­ валентний реально існуючому. Отже, два разом взяті перетворен­ ня — інверсія координат і заміна знаків зарядів — не змінюють властивостей мікрооб’єктів. У цьому разі кажуть, що зберігається СР-парність. Кожна з парностей окремо може не зберігатися, а їхній добуток зберігається. Л. Д. Ландау назвав цю комбінацію «комбіно­ ваною парністю*.

Нова симетрія набула загального визнання, тим більше, що експе­ рименти підтвердили її справедливість. Так продовжувалось доти, доки 1964 р. Дж. Кронін і В. Фітч в СІЛА експериментально виявили незбереження СР-парності в одному із розпадів нейтральних ^ -м е ­ зонів*. Слід зазначити, що ϋΓ-мезонам дуже «пощастило» у виявлен­ ні порушення принципів симетрії. Дійсно, виходячи з аналізу розпа­

дів ііГ0-мезонів, Т. Лі і Ч. Янг сформулювали свою гіпотезу про незбе­ реження Р-парності в слабкій взаємодії.

Властивість симетрії, що відповідає операції зворотності плину часу, тобто заміні знака часу (t —>- t ), називають інваріантністю відносно зміни напряму плину часу, або !Г-інваріантністю.

Тривалий час фізики були впевнені в симетрії мікропроцесів віднос­ но зворотності плину часу, тобто що !Г-інваріантність існує в усіх процесах мікросвіту. Це означає: якщо можливий який-небудь про­ цес, то можливий і зворотний процес, який отримують із початко­ вою зміною напряму плину часу.

*3а відкриття порушення CP-парності Дж. Кроніну і В. Фітчу було присудже­ но Нобелівську премію (1980 p.).

527