Охотники за частицами

Рыдник Виталий Исаакович

Эти правила, конечно, не беспочвенная выдумка физиков. Они, без сомнения, существуют в природе, но как следствие неких «главных» правил. Почему они существуют, что они собою выражают? Ответом на эти вопросы сегодня еще является молчание.

Все эти «придуманные» правила выражаются как законы сохранения. Несколько законов сохранения вам знакомо из школьных учебников.

«Масса никуда не исчезает и ниоткуда не появляется».

«Энергия никуда не исчезает и ниоткуда не берется».

Это законы сохранения массы и энергии. Мы, однако, уже не раз видели, что и масса, и энергия могут «исчезать» и «появляться» — при распадах, при

рождении и аннигиляции частиц. Происходит то, что часто неточно называют: «масса переходит в энергию» или «энергия превращается в массу».

На самом деле — это вещество переходит в поле и обратно. Так что уж лучше было бы говорить об «объединенном» законе сохранения массы и энергии. И выражать его, например, такими словами: «энергия покоя плюс энергия движения или же масса покоя плюс масса движения частиц и тел никуда не исчезают и ниоткуда не появляются».

Пойдемте дальше, руководствуясь простыми школьными примерами. Пушка откатывается при выстреле, лодка движется, если лодочник швыряет камни. Это закон сохранения количества движения, или импульса.

Фигурист, раскрутившись, обнимает себя руками и начинает вращаться быстрее. Здесь действует закон сохранения момента импульса. Кстати, спин, как мы помним, есть величина подобного рода. Так что к нему вполне приложим этот закон.

И, наконец, «общая сумма всех положительных и отрицательных зарядов тел есть величина постоянная». Это закон сохранения электрического заряда.

Казалось бы, до чего скучные законы! И так все понятно без них. Но именно с помощью этих законов физики пробираются в тумане мира сверхмалых частиц. Именно эти законы позволяют отличить распад одной частицы от распада другой, сделать определенный выбор из того множества событий, о котором может говорить сложная путаница следов на фотопластинке. Вот тебе и скучные законы!

Более того, даже этих законов сегодня уже не хватает. Физики, чтобы объяснить свои наблюдения, вынуждены придумывать новые законы. Вот, пожалуйста, пример.

Нейтрон, как видно из таблицы, распадается на протон, электрон и нейтрино (пока не будем уточнять, что у нас за нейтрино — об этом будет сказано дальше). Что мешает тому же нейтрону распасться иначе? Скажем, на электрон и пи-плюс-мезон?

Сумма их зарядов будет по-прежнему нуль (так что электрический заряд в распаде сохраняется). Масса новорожденных значительно меньше, чем у родителя, но он в наследство им может передать внушительную энергию (так что выполнится «объединенный» закон сохранения массы и энергии).

А импульс? Новорожденные частицы могут разлететься так, чтобы и импульс не изменился.

Момент импульса (спин)? И тут полный порядок. У нейтрона — ¹/₂, у электрона — ¹/₂, а у пи-мезона его вовсе нет.

Итак, все «сохраняется», а распада как не бывало. Какая же таинственная причина запрещает его? Она действительно пока таинственная.

И физики, чтобы хоть на время выйти из положения, придумывают новый закон. Они заявляют: «Не может быть, чтобы природа пошла на уменьшение числа протонов и нейтронов в мире! Значит, число этих частиц во всех распадах должно сохраняться». А чтобы облечь эти слова в математическую запись, вводят барионный заряд.

Этот заряд похож на электрический: он равен +1 для барионов (например, +1 для протона и нейтрона), –1 для антибарионов (например, –1 для

антипротона и антинейтрона) и нулю для всех остальных частиц. А по абсолютной величине он должен быть значительно больше электрического заряда электрона или протона.

Новый закон теперь звучит как «закон сохранения барионного заряда». Он должен выполняться при любых встречах, при любых распадах тяжелых частиц.

Отсюда видно, «почему» нейтрон не может распадаться на электрон и пи-мезон. Для них сумма барионных зарядов равна нулю, тогда как для нейтрона этот заряд равен единице.

С другой стороны, протон, сколько бы он ни сталкивался с другим протоном, никогда не создаст антипротона в одиночку. Это же нарушает постоянство барионного заряда.

Антипротон может родиться только в паре со своим зеркальным братом. Оттого-то за его рождение пришлось, как вы помните, заплатить шесть миллиардов вместо одного миллиарда электрон-вольт.

А вот, чтобы слиться со своим братом, никаких «свидетелей» антипротон не требует. Была до слияния сумма их барионных зарядов нуль, разлетелись из места слияния «дребезги» пи-мезонов — нуль и остался.

Подобный смысл имеет и лептонный заряд.

Из факта его сохранения немедленно следует, что, например, электрон сам по себе не может превратиться в фотон. У электрона лептонный заряд единица, у фотона — нуль. Электрон может образовывать фотоны лишь в паре с позитроном. При этом гасятся их равные по величине, но противоположные по знаку лептонные заряды (а заодно — и электрические, как того требует закон сохранения электрического заряда).

А закон сохранения импульса еще добавляет требование, чтобы фотонов при этом появилось не меньше двух: общий импульс слившихся электрона и позитрона равен нулю. Фотон же обязательно имеет не равный нулю импульс. Вот и добавляется второй фотон, который улетает в направлении, противоположном первому, и с таким же импульсом. Энергия этих двух фотонов в сумме как раз равна энергии покоя обоих их «родителей» плюс энергии движения, которую те имели перед слиянием.

Целых пять законов сохранения ревниво оберегают возможность аннигиляции электрона и позитрона! Нельзя нарушиться даже хотя бы одному из них: тогда, даже если бы все остальные выполнялись совершенно строго, процесс не пойдет.

Или другой пример — распад мю-минуса на электрон. Казалось бы, здесь все в порядке: сохраняется и электрический заряд (был минус и остался минус — нейтрино не имеет такого заряда), сохраняются и энергия, и импульс, и… стоп! Больше в таком процессе не сохраняется ничего. Был спин половинка, а стали две половинки — у электрона и нейтрино. Был лептонный заряд единица, а стали две единицы — у тех же электрона и нейтрино.

Где же выход? Распад-то идет, да еще самый частый, самый, что ли, заурядный гость на фотопластинках!

А выход в том, что, как мы видим, одного нейтрино мало: надо добавить к появляющимся в распаде частицам еще антинейтрино. Тогда «антиспин» антинейтрино минус половинка и лептонный заряд его — минус единица немедленно погашают лишние половинку и единицу у нейтрино. И все становится на свои места.

Все ли? А почему родившиеся нейтрино и антинейтрино тут же не сливаются, не аннигилируют, подобно, скажем, электрону и позитрону? Забегая вперед, отметим, что в данном случае это, видимо, невозможно: антинейтрино, скорее всего, служит античастицей «другому» нейтрино, чем тот, вместе с которым оно рождается при распаде мюона.