Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Открытие пионов в 1947 г. произошло таким образом: на экспонированной фотопластинке видно, что некий трек превращается в другой, в известный уже след мюона (тот переходил вследствие распада в видимый след электрона). Таким образом, важно было отметить точку перехода одной частицы в другую: след, во-первых, шел под углом к начальному, а во-вторых, оказывался, если у нее меньше энергии, более толстым. По толщине следа определялась скорость частицы, по длине — время жизни, а если наблюдения шли в магнитном поле, в камере Вильсона, то по радиусу закругления можно было найти отношение скорости и массы.

И вот в 1947 г. К. Ч. Батлер и Дж. Д. Рочестер заметили в камере Вильсона очень странные и слишком длинные следы частиц космических лучей: время жизни нестабильных частиц, согласно принципу неопределенности, должно быть обратно пропорционально энергии, высвобождающейся при распаде частицы, а тут оно было в сотни миллионов раз больше — это уже очень серьезный вызов всей квантовой теории.

Наблюдаемые частицы оказались двух типов: частицы первого типа распадались на два-три пиона, т. е. они сами были бозонами, а частицы второго типа (найденные позже) превращались после испускания пиона в протон или нейтрон, т. е. они были фермионами. Частицы эти, постепенно открываемые во все большем многообразии, но каждая с определенной массой[42], были названы, соответственно, К-мезонами и гиперонами (от греческого «гипер» — над, сверху).

При более детальном изучении оказалось, что существуют К⁺-и К^--мезоны, а также К⁰ и К⁰ (частица и античастица, хотя они и не подчиняются уравнению Дирака). Эти самые две частицы, К⁰ и анти-К⁰, могут по пути следования переходить друг в друга, и именно на такой их странной смеси, их интерференции Кронин и Фитч, как мы писали выше, обнаружили сохранение СР- или Т-инвариантности.

Из гиперонов первоначально в 1951 г. был найден нейтральный лямбда-гиперон , затем в 1953–1954 гг. — несколько более тяжелое семейство сигма-гиперонов (, плюс, минус и электрически нейтральный), и в 1956 г. — еще более тяжелые кси-минус- и кси-ноль-гипероны (^- и ⁰, отметим сразу же, что положительного кси-гиперона не существует, точнее, положительный электрический заряд имеет анти-кси-минус-частица). Гипероны и нуклоны вместе называются барионами (от греческого «барос» — тяжелый), и у всех них одинаковый барионный заряд.

Первый шаг к теории этих новых частиц сделали в 1951 г. Йосиро Намбу (р. 1921, Нобелевская премия 2008 г.) с соавторами и Абрахам Пайс (р. 1918): они предположили, что странные частицы рождаются обязательно попарно — это фактически означало, что существует какая-то характеристика, положительная у одной частицы пары и отрицательная у другой, которые друг друга уравновешивают, но при последующем распаде эти характеристики пропадают, так как у обычных, нестранных частиц их нет. Таким образом, предполагалось, что есть такая странная квантовая характеристика, которая сохраняется в сильных взаимодействиях и не сохраняется в слабых взаимодействиях.

В 1953 г. эту характеристику уточнили независимо М. Гёлл-Манн[43] и К. Нишиджима (р. 1926) и назвали ее квантовым числом «странность».

Исходным пунктом для их теорий является понятие зарядовой независимости, впервые введенное Гейзенбергом еще в 1932 г.

Суть его состоит в такой группировке частиц, которая подчеркивает их сходство. Например, несмотря на то что протон и нейтрон отличаются электрическим зарядом (протон имеет заряд + 1, нейтрон — 0), во всех остальных отношениях они тождественны. Следовательно, их можно считать двумя разновидностями одного и того же типа частиц, дублетом нуклонов, имеющих средний заряд, или центр заряда, равный 1/2 Если таких частиц три (например, три пиона), то они образуют триплет со средним зарядом нуль, если одна частица — это синглет, а общее название группы, состоящей из любого числа частиц, — мультиплет.

Однако все попытки так же сгруппировать странные частицы не удавались. Пришлось предположить, что средний электрический заряд мультиплетов их барионов отличается от 1/2 (среднего заряда нуклонов), а средний заряд К-мезонов равен, в отличие от среднего заряда пионов, не нулю, а — 1/2 , и эти отличия могут быть фундаментальным свойством странных частиц. Странностью как раз и назвали разность между средним зарядом мультиплета и средним зарядом нуклонов + 1/2 (чтобы не возиться с дробями эту разность умножают на 2). Было показано, что странность сохраняется во всех реакциях с сильным и с электромагнитным взаимодействиями, поэтому странные частицы рождаются парами — странность одной частицы компенсирует странность другой (если одна частица в паре имеет странность +1, то странность другой равна -1). Таким образом, странные частицы, родившись, выживают вплоть до распада, определяемого слабым взаимодействием, которое не сохраняет странность.