Охотники за частицами

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.

А частица и «чужая» античастица не аннигилируют никогда. Почему? Дело, видимо, в том, что кванты «своих» полей у такой пары разные. Тогда как при аннигиляции должны рождаться кванты одного и того же поля. По этой причине, в частности, электрон никогда не аннигилирует с протоном.

Ну, а если все же встретятся нейтрино и антинейтрино одного вида? Тогда, видимо, они должны слиться. Но во что, никто сегодня не знает. Как мы уже говорили, кванты — переносчики слабых взаимодействий — физике пока что неизвестны.

…Половинки, единицы, плюсы, минусы.

«Какая-то голая арифметика! Где же физика?» — может спросить разочарованный читатель. Он прав: «привычной» физикой здесь не пахнет.

И, наверное, никогда уже не будет пахнуть. Новые представления оказываются уже настолько далекими от привычных, старых, добрых, не один век служивших представлений, что возврата к ним нет и не может быть.

А эти новые представления неразрывно связаны с «математизацией» физики, с тем, что она принуждена оперировать сложнейшей математикой. Та «арифметика», на которую посетовал читатель, только внешняя сторона, некий видимый наглядно итог этих сложнейших математических операций.

Но дело не только в том, что выводы современной физики частиц, как правило, скрыты за лесом формул. Дело еще и в том, что физики, если перефразировать знаменитое изречение, знают много, но по сравнению с тем, что им предстоит узнать, это сущее ничто.

И поэтому истинный, «глубинный» смысл тех понятий, которые ввели физики в попытках классифицировать частицы и их взаимодействия, пока еще остается для них загадочным. Хотя, как мы увидим, даже это «полузнание» может привести их к серьезным успехам.

Многое ли вы знали в первом классе, скажем, о гиперонах?

Поэтому не стоит огорчаться за физиков в том, что они еще сидят в первом классе той школы, которая называется «природа». И еще учтите, что ни учебников, ни учителей у них нет; до всего надо доходить собственным умом.

На пороге фантастики

Расскажем об одном понятии, очень важном для современной физики, — об изотопическом спине.

Попробуем на секунду вообразить себе мир без взаимодействий. Чудовищно нелепый мир! Вещество без поля, медаль без оборотной стороны! Интересно, как в нем выглядела бы наша таблица частиц?

Строго говоря, никак! В ней не было бы ни одной частицы. Мы уже не раз говорили, что частиц без взаимодействий не существует.