Нейтрино - призрачная частица атома
Шрифт:
Разумно предположить, что все мезонные взаимодействия должны протекать одинаково быстро. В частности, следовало бы ожидать, что -мезоны и -мезоны в свободном состоянии распадутся за время не более 10 – 23 сек.Однако изолированный -мезон распадается на более легкие частицы в течение приблизительно 2,55·10 – 8 сек.А изолированный -мезон живет еще дольше, распадаясь на более легкие частицы за 2,212 ·10 – 6 сек.
Интервалы времени в десяти- и стомиллионные доли секунды
Необходимо было предположить, что не одно ядерное поле ответственно за все мезонные взаимодействия, а два, одно из которых сильнее другого. Одно поле приводит к сильным взаимодействиям,как, например, взаимодействие -мезона с ядром, а другое является причиной слабых взаимодействийв ряде распадов -мезонов и -мезонов. Распад нейтрона разумно отнести к слабым взаимодействиям.
Если -мезон является обменной частицей для сильных взаимодействий, должна, вероятно, существовать обменная частица и для слабых взаимодействий. Ферми разработал теорию слабых взаимодействий, для которой, по-видимому, необходима такая обменная частица. Иногда ее называют w-частицей(от английского слова weak — слабый). Согласно теории, w– частица, по-видимому, имеет большую массу в свободном состоянии. Она намного тяжелее протона, но время жизни ее только 10 – 17 сек,что составляет приблизительно одну миллиардную времени жизни -мезона. Поэтому ее не так-то легко зарегистрировать.
В настоящее время физики различают четыре типа полей, ответственных за все протекающие во Вселенной процессы. Это два ядерных поля: электромагнитное и гравитационное. Ядерное поле сильных взаимодействий — наиболее мощное из всех полей, оно в сотни раз сильнее электромагнитного. Поле слабых взаимодействий в сто миллиардов раз слабее электромагнитного но во много триллионов раз сильнее гравитационного поля. Насколько известно, гравитация остается пока наиболее слабой силой в природе [19].
Тяжелый электрон
В 50-х годах -мезон становился все более и более загадочной частицей. В отличие от -мезона, нужного для устойчивости ядер, он не играет никакой существенной роли, которую физики могли бы понять до конца. Более того, он постепенно теряет свою индивидуальность и становится все более и более похожим на разновидность электрона.
Это может показаться странным, так как наиболее отличительные свойства -мезона и электрона совершенно различны. Во-первых, -мезон в 207 раз тяжелее электрона, во-вторых, в то время как электрон — стабильная частица, -мезон нестабилен, он распадается за 2,212 ·10 – 6 сек.
И все же ряд свойств электрона и -мезона совпадают:
1) заряд электрона равен -1, а его античастицы, позитрона, + 1. В этом отношении -мезон похож на электрон. У него есть две разновидности: отрицательный -мезон,который, подобно электрону, имеет заряд -1 и является частицей, и положительный -мезон,который, подобно позитрону, имеет заряд +1 и является античастицей. Отрицательный -мезон изображается символом – , а положительный -мезон, являющийся античастицей, символом ' +;
2) в природе не существует «нейтрального электрона», т. е. нет незаряженной частицы с массой электрона. Точно так же нет и «нейтрального -мезона»;
3) спины электрона и позитрона равны +1/2 или -1/2. Такие же значения имеют спины отрицательного и положительного -мезонов.
4) электрон и позитрон никогда не участвуют в сильных взаимодействиях, зато принимают участие в слабых, как и положительный и отрицательный -мезоны;
5) наконец, магнитные свойства электрона и позитрона фактически совпадают с магнитными свойствами отрицательного и положительного -мезонов.
Важно ли различие в массе и стабильности -мезона и электрона, если они во многом так похожи?
Что касается различия в стабильности, им можно вообще пренебречь. Я уже говорил, что в субатомных масштабах время жизни 0,000002212 секчрезвычайно велико. Это время находится в таком же отношении ко времени, характерному для сильных взаимодействий, как десять миллиардов лет к одной секунде. Событие, продолжающееся десять миллиардов лет, практически «вечно» по сравнению с событиями, длящимися одну секунду. Аналогично в субатомных масштабах времени -мезон существует практически «вечно», и разница между его временем жизни и действительно бесконечным временем жизни электрона и позитрона незначительна.
А вот различие масс -мезона и электрона остается загадочным. Тяжелые частицы участвуют как в слабых, так и в сильных взаимодействиях, в то время как легкие частицы, очевидно, участвуют только в слабых взаимодействиях. Граница проходит через -мезон; -мезон— самая легкая из известных тяжелых частиц, участвующая в сильных взаимодействиях.
Однако -мезон, масса которого составляет примерно 3/4 массы -мезона, не участвует в сильных взаимодействиях. Он участвует только в слабых взаимодействиях. Почему же, несмотря на свою массу, он не способен участвовать в сильных взаимодействиях? Увы, до сих пор на этот вопрос нет ответа. Почему отрицательный (-мезон в сущности так похож на электрон, а положительный -мезон — на позитрон? И если -мезоны действительно просто «тяжелые электроны», то почему их масса именно в 207 раз больше массы электрона — не больше и не меньше? До сих пор физики не получили ответа ни на один из этих вопросов.
Поскольку нам приходится рассматривать -мезоны как более тяжелые электроны и позитроны, то они должны считаться лептонами и подчиняться закону сохранения лептонного числа. Отрицательному -мезону, подобно электрону, приписали лептонное число +1, а положительному -мезону, подобно позитрону, -1. Физики установили, что при таком выборе во всех субатомных процессах с участием -мезонов закон сохранения лептонного числа выполняется. А поскольку -мезон является лептоном, чтобы не впадать в заблуждение, его назвали мюоном.Конечно, существуют отрицательные и положительные мюоны.