§ 127. Взаємні перетворення частинок і квантів електромагнітного випромінювання

У процесі вивчення усього курсу фізики постійно підкрес­лювалося, що існує два види матерії — речовина й поле (гравітаційне й електромагнітне) і розглядалися відмін­ності між ними. Ці відмінності можна звести до таких:

1. частинки речовини мають масу спокою, електро­ магнітне і гравітаційне поле — не мають;

2. швидкість поширення електромагнітних і гравітацій­ них полів дорівнює швидкості світла у вакуумі, а швидкість руху частинок речовини завжди менша за цю швидкість;

1. речовина мало проникна, тоді як електромагнітне і гравітаційне поля дуже проникні;

2. речовина й поле відрізняються концентрацією маси й енергії: вона дуже велика у частинок речовини і дуже мала в електромагнітного і гравітаційного полів.

Однак ці відмінності між частинками речовини й поля зникають у мікросвіті. Сучасна квантова теорія поля виходить з того, що елементарні частишси є квантами різних полів: фотони — кванти електромагнітного поля, електро­ни й позитрони — кванти електронно-позитронного поля, мезони — кванти кількох типів мезонних полів, нукло­ни — кзанти нуклонного поля тощо. Інакше кажучи, на рівні елементярних частинок фактично відсутня істотна різниця між речовиною і полем як видами матерії І елек­трон, і позитрон, і протон, і фотон є як елементарними частинками речовини, так і квантами відповідних полів.

Про відносність поділу матерії на рівні елементарних частинок на частинки речовини і частинки поля перекон­ливо свідчить їх взаємоперетворюваність. Так, наприклад, у 1934 р. було встановлено, що під час зіткнення електро­на з позитроном відбувається їх перетворення в два фото­ни, тобто відбувається перетворення частинок речовини в частинки електромагнітного поля. Можна також гово­рити про перетворення квантів електронно-позитронного поля в кванти електромагнітного поля. Можливий також і зворотний процес перетворення фотона великої енергії під час зіткнення з ядром в пару електрон—позитрон. У цьому випадку частинка поля (фотон) перетворюється в частинку речовини (електрон — позитрон). Природно, у процесі цих перетворень виконуються усі закони збере­ження. Так, маса фотона, з якого утворюється пара, вияв­ляється точно рівною сумі мас частинок, які утворилися. Тому не може бути й мови ні про яке «знищення» або «народження» маси, а тим більше матерії у цих про­цесах.

Дослідження показали, що перетворення в фотони і народження за рахунок фотонів спостерігається для всіх заряджених частинок і античастинок: протона й антипро­тона, -мезона й -мезона, -мезона і -мезона,

-мезона і-мезона, а також і для нейтрона і анти­нейтрона. Як і у випадку перетворення пари електрон — позитрон, під час усіх цих процесів перетворення частинок речовини в частинки електромагнітного поля (фотони) і назад зберігаються маса, енергія, імпульс і ряд інших характеристик частинок.

§ 128. Класифікація елементарних частинок

Кількість відкритих на сьогодні елементарних части­нок з різноманітними властивостями обчислюється сотня­ми, тому завдання приведення їх у систему є важливим і дуже складним. Можна чекати, що спроба класифіку­вати їх за деякими спільними ознаками дасть можливість знайти загальні закономірності, зв'язані із структурою та поведінкою частинок, і передбачити ще не відкриті частин­ки, як це було зроблено на основі періодичної системи Менделєєва відносно хімічних елементів.

Повне число параметрів, які визначають властивості частинок, досить велике. Найважливішими з них є маса частинки, її електричний заряд, спін і час життя. З усіх названих характеристик спеціального пояснення потребує лише спін. Спіном називається фізична величина, яка дає кількісну характеристику обертального руху частинки. Спін частинки (механічний момент) у різних частинок може мати різні значення, однак всі частинки одного типу мають абсолютно однакові спіни.

Будь-який з електронів має механічний момент, що до­рівнюєЦя величина точно дорівнює:

— стала Планка).

Величинаприйнята за одиницю спіну.

Після ознайомлення з основними характеристиками елементарних частинок можна розглянути таблицю 4 еле­ментарних частинок, час життя яких перевищуєс.

Частинки в таблиці розміщені в порядку зростання їх мас. Частинки з масами, які не перевищують 207 електрон­них мас (крім однієї з них), складають групу легких части­нок— лептонів; частинки з масами понад 207 елек­тронних мас, але меншими за масу протона, входять до групи мезонів (середніх частинок), протон і більш масивні частинки складають групу баріонів. Особливе місце посідає в таблиці фотон, який не входить в жодну з названих груп.

Поділ елементарних частинок на групи визначається не лише різницею в масах, а й рядом інших істотних вла­стивостей. Лептони й баріони мають спін, що дорівнює,

спін фотона — 1, а спіни мезонів дорівнюють нулю.

Під час розгляду таблиці звертають на себе увагу такі факти. По-перше, лише три елементарні частинки — елек­трон, протон і нейтрон є основними: з них побудовані

атоми і в кінцевому рахунку весь навколишній речовин­ний світ. Заряд елементарної частинки (виражений в еле­ментарних зарядах) дорівнює або +1, або —1, або 0; дво- і багатозарядних частинок немає. Більшість елементарних частинок є нестійкими і мають дуже малий час життя. Кожній частинці (крім фотона і пі-нуль-мезона) відпові­дав античастинка.

Поділ елементарних частинок на групи (лептони, мезо­ни і баріони) здійснюється на основі експериментальних даних. Теорія поки що не може пояснити причини такого поділу чи передбачати значення мас, часу життя, кванто­вих чисел елементарних частинок. Однак, використовуючи емпірично знайдені характеристики, квантова теорія може більш або менш успішно пояснити властивості елементар­них частинок, їх взаємодію, акти їх народження і знищен­ня. Досить привабливою є ідея подати хоча б деякі з відкритих за останні роки частинок як зв'язані чи збуджені стани інших частинок.

Сьогодні є кілька спроб установити закономірності (симетрії) у властивостях частинок, які б дали можливість об'єднати велику кількість різних частинок у невелике число груп (мультиплетів), у межах яких частинки в пев­них відношеннях близькі за своїми властивостями.

Особливо успішним виявилося введення так званої унітарної симетрії. В цій систематиці сильно взаємодіючі частинки об'єднуються в «супермультиплети» по 8 чи 10 частинок з однаковими спінами, баріонними зарядами і парністю, але із різними значеннями мас, елек­тричного заряду, ізотопічного спіну тощо. Часто цю схему класифікації називають «восьмеричним шляхом».

Смисл унітарної симетрії полягає в тому, що в тій мірі, в якій можна нехтувати різницею в масах частинок супермультиплету, вони поводять себе подібним чином у процесах сильних взаємодій.

Прикладом супермультиплету може служити баріон­ний октет, складений із нуклонів і гіперонів (мал. 239). Цікаво відмітити, що на основі восьмеричної системи американський фізик Гелл-Манн теоретично передбачив існування нової частинки — гіперона з масою, що пере­вищує масу протона, і з дивністю — 3. Цю частинку він назвав омега-мінус-гіпероном. Припускалося, що-частішка належить до класу гіперонів, u електричний заряд, а ізотонічний спін. Відкриття .2 -ча-

стіііїки у 1964 р. в Брукхевеиській лабораторії (США) згідно з висловленою гіпотезою стало великим успіхом теоретичної й експериментальної фізики. Маса частинки виявилася рівіїою 1672 МеВ, що напрочуд добре узгоджує­ться з результатами теоретичних розрахунків.

Досить цікавим є ще один підхід до проблзми систе­матики елементарних частинок. Він грунтується на тому факті, що, хоча всі гіперони відрізняються один від одного

за багатьма фізичними параметрами (масою, електрич­ним зарядом, спіном), у них все ж є одна спільна власти­вість: кожен баріон після випускання одного чи кількох мезонів перетворюється в нуклон, тобто в протон або нейтрон! Рівняння таких перетворень записуються так:

Оскільки мезони є квантами ядерного поля, можна процес розпаду гіперона розглядати як процес переходу нуклона із збудженого стану в нормальний з випроміню­ванням кванта ядерного поля.

При такому підході до проблеми знімається питання про велику кількість елементарних частинок. З усіх баріо­нів справді елементарними тоді слід вважати лише нукло­ни, а всю решту, більш масивні частинки розглядати як збуджені стани нуклона.

Завдання побудови системи елементарних частинок у цьому випадку замінюється завданням вивчення і роз­рахунку спектрів збуджених станів невеликої кількості частинок.

Групу баріонів, зображених на малюнку 239 у вигляді супермультиплету — баріонного октету з нуклонів і гіпе­ронів, можна зобразити (мал. 240) як систему збуджених станів двох «справжніх» елементарних частинок — про­тона й нейтрона.