Охотники за частицами

Но все же, поскольку мы фантазируем, вообразим, что в этом мире есть какие-то частицы, которые наделены одной лишь массой (гравитационное взаимодействие мы сохраним). Пусть этими частицами будут электрон и протон. Добавим к ним еще невесомое нейтрино.

Но наши протон и электрон, напомним, пока не имеют электрического и прочих зарядов. И блуждали бы эти частицы в мире, не в силах ни построить ядро, ни слиться в атом. Вот такой мир действительно был бы фантастически бедным.

Поскольку мы — в области фантастики, нам все позволено. Нажмем кнопку — и включим слабое взаимодействие. Появится мю-мезон — не более того.

Включаем следующее — электромагнитное взаимодействие. Теперь безотрадный мир стал светлее. Есть отчего: в нем появились заряды у частиц, возникли фотоны, появился нейтрон. Как по мановению волшебной палочки возникли позитрон и антипротон с антинейтроном, привилась античастица и у мю-мезона. Родился даже первый атом — атом водорода. Других атомов пока еще быть не может: протон с нейтроном еще не взаимодействуют, ядер образовывать не могут.

Теперь последнее нажатие кнопки — и мир заиграл всевозможными цветами. В него пришли мезоны и гипероны, начались разнообразные сильные взаимодействия.

Так не является ли все разнообразие частиц продуктом совместного действия всех четырех полей — гравитационного, слабого, электромагнитного и ядерного… На что? На некую «праматерию», состоящую из нескольких видов «проточастиц»! Эту мысль высказал американский физик Мэррей Гелл-Манн, а за ним ее стали разрабатывать многие ученые.

Каждое из этих полей как бы возбуждает «проточастицы». Словно, например, были какие-то лишенные заряда кусочки «праматерии» — условно назовем их электронами. Гравитационное поле сообщило им массу, а электромагнитное — заряд, да еще двух знаков — положительного и отрицательного. А прибавилось к этим полям еще слабое взаимодействие, и электрон с позитроном возбудились и образовали мю-мезоны.

Или вот другой пример. В группу пи-мезонов попала нейтральная частица — пи-нуль. На роль «проточастицы» она, разумеется, не претендует: несмотря на отсутствие у нее заряда, она связана с электромагнитным полем — распадается, кончая жизнь, на кванты электромагнитного поля, фотоны. Да и, кроме того, пи-нуль сам квант: только ядерного поля, от которого и получает довольно приличную массу.

А рядом с нейтральным сосуществуют и заряженные пи-мезоны. Посмотрим на их массы: они отличаются от массы их нейтрального собрата. Электромагнитное поле словно «влилось» в них, добавило им энергию и тем самым массу. Не будь этого поля, можно было бы считать, что вместо тройки пи-мезонов существует только один «центральный» пи-нуль-мезон.

К слову сказать, электромагнитное поле может не только как бы «вливаться», но может и «выливаться» из заряженных частиц. Массы нейтральных ка-мезонов больше массы заряженных их родичей, нейтральный нейтрон массивнее заряженных протона и антипротона.

Никаких четких закономерностей тут пока не обнаружено, кроме сравнительной близости масс в каждой группе частиц.

Такое впечатление, что благодаря наличию электромагнитного поля каждая частица словно распускается в букет частиц с близкими массами.

Этот воображаемый букет и описывается изотопическим спином. Легко запомнить: если этот спин равен нулю, то из «исходной» частицы ничего не распустится (ее античастица будет тождественна ей самой); если половине, то две частицы: она сама и отличающаяся от нее античастица, с которой она сможет аннигилировать; если единице, то три частицы и так далее.

А что это за «исходная» частица? «Проточастица» из «праматерии»? Нет, мы уже говорили, что так считать нельзя. Например, нельзя за «исходную» в группе пи-мезонов принять пи-нуль-частицу: она сама своим существованием обязана ядерному полю. «Выключили» мы это поле — и исчез бесследно этот мезон.

О «проточастицах», или, как их лучше называть, фундаментальных частицах, у нас еще будет особый разговор. Изотопический спин имеет к ним отношение, но иное, чем то, о котором мы сейчас говорим.

Укажем еще, что к лептонам это понятие также неприложимо.

А в остальном изотопический спин работает вполне успешно, не только помогая навести порядок в маленьких семьях (как их называют — мультиплетах) частиц, но и позволяя предсказывать еще неоткрытые частицы.

Почему же новое понятие так странно называется: какие-то изотопы, причем-то спин?

Оно названо так по двум довольно далеким ассоциациям.

«Изотопический», потому что частицы в каждой группе имеют весьма близкие массы. Словно это одна и та же частица, но в разных состояниях. Чем-то похоже на одно и то же ядро, но с разным числом нейтронов. А такие ядра и называются изотопами.

«Спин»… Помните наш рассказ об эффекте Зеемана? Из одной линии спектра в магнитном поле вырастал целый «букет» близких ей линий.

Эффект Зеемана удалось объяснить, предположив, что существует спин. Два или три «цветка», а в «букетах» частиц, как мы видели в нашей таблице, тоже только две или три частицы.