Дао физики

Состав такой цепочки во время конкретного эксперимента определяется случайностью, но каждая сеть выстраивается по вполне определенным законам. Это уже упоминавшиеся законы сохранения, согласно которым могут происходить только такие реакции, в которых неизменен определенный набор квантовых чисел. Прежде всего константой для каждой реакции должно быть суммарное количество энергии. В ходе реакции могут возникать только те частицы, для образования массы которых достаточно задействованной энергии. Создаваемые частицы должны в совокупности обладать теми же квантовыми числами, что и частицы, изначальное участвовавшие во взаимодействии. Возьмем, например, взаимодействие протона и π^—. Суммарный электрический заряд этих частиц равен 0. В результате столкновения они могут распасться и преобразоваться в нейтрон и π⁰, но не в нейтрон и π⁺, так как суммарный электрический заряд второго сочетания равен +1.

Следовательно, адронные реакции — поток энергии, в котором возникают и распадаются частицы. Но энергия может «течь» только по определенным «каналам», характеризуемым квантовыми числами, которые сохраняются во время сильных взаимодействий в качестве констант. В теории S-матрицы понятие канала реакции имеет более фундаментальное значение, чем понятие частицы. Оно определяется как набор квантовых чисел, присущий различным адронным сочетаниям, а зачастую и отдельным адронам. Какое именно сочетание адронов пройдет через тот или иной канал, определяется вероятностью, но зависит в первую очередь от имеющегося количества энергии. Диаграмма на рис. 65 показывает взаимодействие между протоном и К^—, в ходе которого образуется нейтрон как промежуточное состояние.

Рис. 65. Взаимодействие протона и К^—

Канал реакции состоит сначала из двух адронов, потом — из одного, а затем — снова из первоначальной пары адронов. При наличии большого количества энергии тот же канал мог бы быть образован парами Λ — К⁰, Σ — К⁺ и другими комбинациями частиц.

Еще удобнее рассматривать в понятиях каналов резонансы — крайне недолговечные состояния адронов, которые характерны для всех сильных взаимодействий. Это настолько эфемерные явления, что физики сначала даже не хотели классифицировать их в качестве частиц, да и сегодня более точное определение свойств резонансов остается одной из важнейших задач экспериментальной физики высоких энергий. Резонансы возникают во время столкновений между адронами и почти сразу распадаются. В пузырьковой камере они не обнаруживают своего присутствия, и выявить их можно только благодаря определенному изменению вероятностных характеристик реакций. Вероятность возникновения реакции при столкновении двух адронов зависит от количества задействованной энергии. При его изменении вероятность реакции тоже меняется; причем при увеличении энергии она может не только возрасти, но и уменьшиться в зависимости от конкретных условий. При некоторых значениях энергии вероятность реакции резко возрастает; она будет происходить гораздо чаще, чем при всех остальных. Рост вероятности связан с образованием недолговечного промежуточного адрона с массой, равной количеству энергии, при котором отмечается резкое увеличение вероятности.

Причина, по которой эти недолговечные адронные состояния получили название резонансов, может быть описана аналогией из механики, связанной с хорошо известным явлением резонанса при колебаниях. Мы знаем, что воздух внутри полого предмета слабо реагирует на приходящие извне звуковые волны. Но если волны достигнут определенной частоты, называющейся частотой резонанса, этот же воздух начнет резонировать, т. е. совершать очень сильные колебания. Канал адронной реакции тоже можно уподобить такой резонирующей полости: энергия столкновения адронов связана с частотой соответствующей вероятностной волны. Когда энергия, или частота, достигает определенного значения, канал начинает «резонировать», колебания вероятностной волны усиливаются, что вызывает резкий скачок вероятности реакции. Большинство каналов реакции имеют несколько резонансных значений энергии, каждое из которых соответствует массе недолговечного промежуточного адронного состояния, которое образуется, когда энергия сталкивающихся частиц достигает резонансного значения.

В рамках теории S-матрицы вопрос о том, являются ли резонансы частицами, не существует. Все частицы рассматриваются как промежуточные состояния в цепи взаимодействий, и тот факт, что продолжительность существования резонансов гораздо меньше, чем для других адронов, не создает принципиального различия. На самом деле «резонанс» — очень удачное название. Оно относится одновременно и к событиям в канале реакции, и к адрону, образующемуся в процессе этих событий, демонстрируя неразрывную связь между частицами и реакциями. Резонанс — частица, но не объект. Он гораздо лучше описывается как событие, процесс или явление.