Вселенная в электроне

В Калифорнии группа физиков-экспертов собирает, проверяет и анализирует все сообщения об открытии новых частиц. Это очень важная и нужная работа, так как иногда случается, что частицу открывают одновременно в нескольких институтах. Ее измеренные в опыте параметры чуть-чуть различаются, она получает разные названия, и возникает путаница. Эксперты составляют сводку всех частиц — достоверно открытых и тех, относительно которых остаются еще некоторые сомнения. Это толстенькая брошюра в несколько десятков страниц.

И вот что важно: если не считать частиц-кирпичиков протона, нейтрона и электрона, то перечисленных в этой брошюре частиц нет ни внутри ядра, ни в атоме. Они каждый раз заново рождаются в ядерных реакциях. Пословица говорит: лес рубят — щепки летят. Но щепки — это кусочки того, что уже было. Частицы же, как искры при ударе топора о металл, образуются в процессах столкновений.

В древнем мифе рассказывается о рождении богини Афродиты из морской пены. Неистовый ветер ударил волну о берег, и из вспыхнувшей радуги брызг и белой шипящей пены ступила на берег богиня красоты. Рождение частиц происходит не менее эффектно, но не из пены, а из энергии, точнее, из массы, связанной с энергией. Движущаяся частица весит больше неподвижной, поскольку кинетическая энергия движения тоже имеет массу. За счет этой массы и образуются новые частицы.

Большие ускорители как раз и создаются для того, чтобы разгонять частицы до такой скорости, чтобы их энергии было достаточно для рождения новых.

Электроны, протоны, мезоны и другие частицы принято называть элементарными. Если атомы и их ядра можно разделить на более простые части, то с элементарными частицами это не удается. В любых известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга — взаимопревращаются. Если в одной реакции, например, при распаде родились более легкие частицы, то в другой, наоборот, образуются тяжелые. Никаких более простых «кусков» от частиц не отщепляется. В то же время из них, как из кирпичиков конструктора, можно построить весь окружающий мир во всей его красоте и разнообразии.

Ступень элементарных частиц необычайно богата своим содержанием. Каких только здесь нет пород, гибридов и монстров! Некоторые из них следует рассмотреть поближе.

Зоопарк в микромире

Представим себе, что мы гуляем в таком зоопарке. Слева небольшая аллея лептонов с клетками легких частиц, справа длиннющая, уходящая за горизонт аллея со множеством загонов для массивных частиц-адронов. (Снова греческие корни: «лепто» — легкий, мелкий и «адро» — тяжелый, крупный.)

Ряд адронов начинается с наших знакомцев — протона и нейтрона. Они настолько похожи по своим свойствам, что физики считают их двумя состояниями одной и той же частицы — нуклона. Когда у нуклона нет электрического заряда — это нейтрон, если же в результате каких-то взаимодействий он получит заряд — это будет уже протон.

Можно сказать, что у нуклона два лица — одно протонное, другое — нейтронное. Если прибегнуть к другой аналогии, то нуклон можно уподобить электрической лампочке. Когда она горит — это протон, выключена — нейтрон. Аналогия, конечно, далекая, но, в общем-то, правильная. И если уж следовать ей, то. пи-мезон придется сравнить с электрической лампочкой, имеющей три состояния: когда она горит красным светом — это мезон с положительным электрическим зарядом, если потушена — нейтральный мезон, а когда светит синим светом — это мезон с отрицательным зарядом. Пи-мезон — частица с тремя лицами. В заряженном состоянии она живет около стомиллионной доли секунды и распадается на мю-мезон и нейтрино. В нейтральном состоянии время ее жизни еще намного — в сто миллионов раз — меньше. Она почти мгновенно распадается на два высокоэнергетических фотона.

Рядом стоит клетка с ρ (ро)-мезоном. Он во всем похож на пи-мезон, тоже имеет три лица, только впятеро тяжелее и, кроме того, быстро вращается. Движется и вращается, как бы навинчивается на свою траекторию. Вот только живет ро-мезон очень мало, ничтожный миг — около 10^-23 секунд. Это десятичная дробь с двадцатью двумя нулями после запятой. Распадаясь, ро-мезон превращается в два быстрых пи-мезона.

Недалеко от пи- и ро- мезонов помещается ω (омега)-мезон. Это нейтральная частица с массой, как у ро-мезона, и вдесятеро большим временем жизни. Она тоже — маленький вращающийся волчок. Распадается на три пи-мезона, которые с большой скоростью разлетаются в разные стороны.

С тройкой мезонов, обозначаемых греческими буквами π, ρ и ω, мы еще встретимся. Они играют важную роль в жизни протона и нейтрона.