Охотники за частицами

Если уподобить известные частицы карточной колоде, то сегодняшние занятия физиков с этой колодой можно кратко охарактеризовать так: пасьянс. Раскладываются карты так и этак, часть влево, часть вправо, часть вверх, часть вниз. То одно правило игры придумают, то другое.

Но до недавнего времени не ложились карты одна к другой так, как того хотелось бы. А хотелось бы иметь в своих руках не много, не мало, как те самые «главные» правила, по которым играет природа частицами. Однако очень уж сложны, глубоко запрятаны эти правила. Уже не один год бьются теоретики, чтобы их разгадать. Но пока без решающего успеха, хотя в ряде важных успехов им отказать нельзя. А потому и подменяют неизвестные пока «главные» правила сплошь да рядом своими правилами.

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.