Охотники за частицами

Обычная перепись характеризует население в первую очередь такими «устойчивыми», не меняющимися признаками, как пол, имя, отчество, фамилия, национальность, местожительство. Впрочем, и фамилия, и местожительство могут изменяться, хотя и человек при этом зачастую существенно не меняется. Далее следует характеристика, меняющаяся постоянно, — возраст. Затем признак, меняющийся иногда часто, а иногда лишь раз в жизни, — профессия.

Что ж, начнем с первого признака — мужской ли пол, женский ли. Население микромира тоже «двуполо»: оно состоит из частиц и античастиц.

Заряженные электрически частицы отличаются от своих античастиц знаком электрического заряда. Например, протон заряжен положительно, а антипротон — отрицательно. Нейтральные же частицы — тут вопрос посложнее: отличие касается других свойств. Например, нейтрон отличается от антинейтрона магнитными свойствами. Об этом еще будет разговор. И только немногие частицы решительно ничем не отличаются от своих античастиц: это фотон и нейтральные пи- и эта-мезоны. Первый из этих мезонов был открыт несколько позже своих заряженных собратьев. На фотопластинках и в счетчиках он из-за отсутствия электрического заряда следов не оставляет и был обнаружен по косвенным свидетельствам.

Дальше наша перепись начинает резко отличаться от обычной. На первое место выступит… масса обитателей микромира (точнее — их масса покоя). «Возраст» их, как вы увидите, тоже играет роль, и весьма существенную: иначе бы он не попал в перепись, — но масса еще важнее.

И вот почему. Взгляните на таблицу переписи обитателей микромира. Вы сразу замечаете, что все частицы группируются в кучки. Если отвлечься от античастиц — массы их такие же, как у отвечающих им частиц, — то видно, что «расстояния» между массами в пределах каждой кучки, как правило, значительно меньше, чем между кучками.

Одни кучки состоят из одной частицы (и разумеется, ее античастицы), другие — из двух, трех и даже из четырех. Сами кучки группируются в три сорта: первый из них получил название лептонов (легких частиц), второй — мезонов (средних частиц), третий — барионов (тяжелых частиц).

Какие же основания для такого подразделения? Почему физики убеждены в том, что разные массы — значит, разные частицы? Разве не может одна и та же частица иметь разные массы?

Видимо, нет: природа — очень аккуратный работник. У нее не бывает так, чтобы кирпич одного сорта выходил из печи то с недовесом, то с перевесом. Сколько бы она ни выпускала, скажем, электронов — никакой, даже самый придирчивый контролер не заметит в них ни малейшего отличия.

Раз другая масса, значит, другое поведение частицы, значит, и сама частица иная. За примером недалеко ходить: в группе лептонов вместе с электроном и позитроном физики поселили мю-мезон. (Правда, мю-мезоны по свойствам так резко отличаются от остальных мезонов, что физики все чаще называют их мюонами, чтобы даже приставка «мезон» не связывала их с «настоящими» мезонами.)

Мы уже говорили, что мюоны решительно ничем не отличаются от электронов — разве что только массой. Но это «разве что» — очень важно! Мюон, в отличие от электрона, — неустойчивое изделие природы и стремится как можно быстрее избавиться от «довеска» массы. Это ему удается спустя миллионные доли секунды (смотри предпоследнюю колонку переписи). После чего он действительно перестает отличаться от электрона.

Но почему же мю-мезон, почти на 206 электронных масс тяжелее электрона, попал с ним в одну группу, а пи-мезон, который тяжелее мю-мезона всего лишь на 68 единиц массы; оказался совсем в другой группе? Тут в ход идет другое важнейшее свойство частиц — спин. Мы уже говорили, что это дополнительный момент количества движения частицы: внешне похожий на вращение частицы вокруг «собственной оси». Теперь же надо сказать, какой водораздел он проводит в мире частиц.

Уже давно физики попытались разделить все известные частицы на две категории — частицы основные и частицы вспомогательные. К основным они отнесли электрон, протон и нейтрон, к вспомогательным — фотон и пи-мезоны. Основным частицам было уготовано райское устойчивое существование, а вспомогательным — адская работа: бегать почтальонами от одной основной частицы к другой, чтобы они узнали о существовании друг друга.

Фотоны должны были метаться между всеми электрически заряженными частицами, более солидные пи-мезоны — только между протонами и нейтронами. Вспомогательные частицы, таким образом, объявлялись переносчиками взаимодействий между частицами.

Каждому виду взаимодействия было приписано свое поле, а соответствующие частицы считались квантами этого поля. Так фотоны стали квантами электромагнитного поля, а пи-мезоны — квантами ядерного поля.

Таблица

Продолжение

Продолжение

И природа, чтобы как-то пометить кванты этих полей, отличить их от «настоящих» частиц, придала им спины, отличные от спинов основных частиц. Она сделала этот спин либо вдвое больше, чем у многих настоящих частиц, — например, спин фотона, эта-мезона, либо вообще не выделила им кванты, как у пи- и ка-мезонов.