наглядный, хотя и несколько приближенный, смысл состоит в следующем:
налетающая частица "видит перед собой" преграду, площадь которой и есть
поперечное сечение; или по-другому: если укрепить монету перед стенкой и
направить на стенку луч фонаря, то возникающая теневая картинка полностью
определяется площадью поверхности монеты, и говорят, что сечение рассеяния
света равно по порядку величины этой площади.
Измеряя сечение рассеяния положительных пи-мезонов на протонах, Э.
Ферми и его сотрудники обратили внимание на странную закономерность: в
интервале энергии пионов (так сокращенно называют пи-мезоны) от 56 до 136
МэВ сечение возрастало примерно в 15 раз, то есть вероятность взаимодействия
становилась очень большой.
Буквально в тот же день, когда столь сильный рост был окончательно
установлен, Э. Ферми ознакомился с текстом еще не опубликованной статьи
молодого теоретика К. Бракнера. В этой статье высказывалось предположение,
что в пион-протонном рассеянии может возникать своеобразный резонансный
эффект - то есть подавляющая часть событий может происходить с образованием
некоторого промежуточного состояния. Слова "подавляющая часть" означают, что
некоторое промежуточное состояние образуется с очень большой вероятностью.
В своей статье, содержащей описание этих экспериментов, Э. Ферми
отмечает, что природа "промежуточного состояния" неясна, а энергии
Чикагского ускорителя слишком малы для изучения эффекта в более широком
интервале. Между тем он и его сотрудники впервые наблюдали проявление
совершенно новых "героев микромира" - резонансов.
Для понимания природы резонансов потребовалось еще примерно 8 лет
интенсивных исследований в значительно более широком интервале энергий и с
гораздо лучшей теоретической "вооруженностью". Но Э. Ферми уже не сумел
разделить радость вступления в новую резонансно-адронную эру - 29 ноября
1954 года его не стало. А через три дня Комиссия по атомной энергии США
наградила посмертно его - президента Американского физического общества,
лауреата Нобелевской и многих других премий, члена ряда иностранных
академий - еще одной премией, носящей его имя.
Открытие резонансного эффекта в пион-протонном рассеянии оказалось
последней крупной экспериментальной работой Э. Ферми. Дальнейшая история
прорыва в новую область микромира тесно связана с поисками более общей
картины сильных взаимодействий, чем можно было получить в рамках юкавской
модели. В сущности, основная идея X. Юкавы не отбрасывалась - барионы должны
были по-прежнему взаимодействовать посредством мезонного обмена, но теперь
уже речь шла о совершенно иных мезонах с несколько необычными свойствами.
К 1960 году различные гипотезы оформились в виде довольно ясного
предсказания - следует искать новые частицы, способные распадаться на два
или на три пиона. И в 1961 году почти одновременно были открыты ро- и
омега-резонансы, которые вполне соответствовали бы предсказанным частицам,
если бы... не отличались от обычных мезонов весьма забавным образом.
Своенравие "ро" и "омега" состояло в том, что они принципиально не желали
оставлять макроскопических следов.
Вот ведь какое дело! Представить себе существование обычной
элементарной частицы не так-то просто: глаз или прибор регистрируют только
достаточно масштабное явление среди атомов и молекул, вызванное "нарушителем
спокойствия". А в данном случае никакого явления не видно, и резонанс
приходится вычислять. Ни в одной лаборатории мира вам не покажут фотографии
с красивым переплетением линий, где бы просматривался след нового объекта -
ро- или омега-резонанса. И тем не менее современная таблица элементарных
частиц насчитывает более двухсот "главных взаимодействующих лиц", причем
львиная доля приходится на эти самые резонансы. В чем же дело, нет ли тут
каких-то неувязок? Можно ли ставить "невидимки" в один ряд с ранее
известными частицами?
Прежде всего следует выяснить, не существует ли уважительной причины
столь неуважительного отношения резонансов к традициям физической
лаборатории. Среди частиц имеются различия не только по массам, но и по
временам жизни. Из известных частиц абсолютно стабильны только четыре -
фотон, нейтрино, электрон и протон, которые в вакууме могут существовать
сколь угодно долго. Остальные хозяева микромира - все мезоны и барионы,
начиная с нейтрона, - в вакууме непременно распадаются. Время жизни
нестабильных частиц весьма различно: например, у нейтрона оно превышает 15
минут, а заряженные пи-мезоны живут всего 2,6.10-8 секунды. Конечно, по
нашим масштабам это невероятно маленький срок, но за такое время, двигаясь с
околосветовой скоростью, пион успевает пролететь около 7,5 метра, то есть
вполне достаточно для обычного фотографирования его в довольно большой
камере. В этом смысле процесс распада можно считать медленным, происходящим
как реакция со слабым взаимодействием.
Чем слабей взаимодействие, вызывающее распад, тем медленнее он
происходит. Как мы помним, квантовая теория позволяет рассчитывать лишь
вероятностные характеристики процессов. В данном случае обычно вычисляется
вероятность перехода (например, пи-мезона в мюон и нейтрино) в единицу
времени, а собственно временем жизни называется величина, обратная
вероятности перехода. Понятно, что за счет слабых взаимодействий вероятности
перехода получаются существенно меньшие, а, следовательно, и время жизни
таких частиц большее. Скажем, родной брат заряженных пионов -
пи-ноль-мезон - может распадаться на два фотона только за счет
электромагнитных взаимодействий, которые намного "сильнее слабых", и поэтому
он живет недолго, в среднем 0,8.10-16 секунды.
Но по сравнению с резонансами и пи-ноль-мезон великий долгожитель. Если
мы договоримся принять его краткий срок существования, его век жизни, за
год, то в
таком "микрокалендаре" резонанс живет всего несколько секунд, тогда как,
например, мюон - около 20 миллиардов лет (примерно столько, сколько
существует наблюдаемый участок вселенной в обычных годах)! В нормальной же
шкале "ро" имеет время жизни порядка 10-23 секунды, и мюон - 2,2.10-б
секунды, то есть резонанс должен распадаться на пионы за счет сильных
взаимодействий. В этом его основная особенность. За столь малое время "ро"
успевает пройти лишь микроскопическое расстояние порядка 10-13 сантиметра и,
разумеется, не успевает оставить заметный макроскопический след. Поэтому его
появление регистрируется не обычным путем, а особым образом.
Поскольку "ро" распадается на пару пионов, которые можно наблюдать
непосредственно, то в какой-нибудь из реакций отбирают все события с
рождением двух пи-мезонов и строят своеобразный график распределения по их
суммарной массе. В этом распределении при массе примерно 773 МэВ должен
наблюдаться максимум - горб кривой, - то есть основная часть событий
концентрируется вблизи указанного значения. Однако распределение оказывается
довольно широким - основание полученного "горба" составляет примерно 152
МэВ. Получив эти данные (для этого необходимо обработать сотни и сотни
фотографий, содержащих пионные следы!), можно сделать вывод о том, что
реакция образования пары пи-мезонов идет в два этапа: сначала рождается
некая частица с массой 773 миллиона электрон-вольт, а потом она распадается
на два пиона. Время жизни промежуточной частицы вычисляется простым делением
постоянной Планка на ширину наблюдаемого "горба". Эта промежуточная частица
и есть ро-резонанс, или ро-мезон.
В остальном "ро" ничем не отличается от обычных частиц-долгожителей и
обладает всеми нормальными свойствами мезонов. Например, резонанс ро-мезон
может быть заряжен положительно, или отрицательно, или быть нейтральным.
Резонанс омега-мезон имеет немного большую массу, но ширина
соответствующего ему "горба" примерно в 15 раз меньше, то есть он живет в 15
раз дольше. Известны и более "узкие" резонансы, но все равно их времени
жизни не хватает для непосредственной регистрации.
В сущности, физики столкнулись с самым настоящим резонансным явлением,
известным и во многих других разделах науки. В воинской практике издавна
существует железное правило: если колонна солдат вступает на мост,
немедленно прекращается маршировка "в ногу", ибо парадное шествие может
обойтись (и много раз обходилось!) очень дорого - всякий мост имеет привычку
немного раскачиваться в такт движению, но, пока толчки ног случайны, размах
колебаний невелик, а стоит общим усилием попасть на "любимую частоту" моста,
и он не выдержит - рухнет. Если изобразить размах колебаний (амплитуду,
говоря научным слогом) как функцию частоты, то в графике вблизи "любимой
частоты" моста возникает резкий максимум. Здесь колебания могут стать столь
сильными, что вся конструкция не выдержит и развалится. Таково типично
механическое проявление резонанса.
С подобным явлением постоянно встречаются и при изучении электрических
цепей. Каждый день, настраивая приемник на любимую станцию, вы регулируете
специальный контур до тех пор, пока он не "попадает в резонанс" - начинает
пропускать радиоволны определенной частоты, на которой и ведется передача со
станции.
Ясно, что, меняя размеры моста и материалы, из которых он сделан, или
применяя несколько иные радиодетали, мы можем в обоих случаях создать
резонансные эффекты при совсем иных частотах. В случае адронных резонансов
мы не вольны в своих возможностях - резонансный эффект наступает при
определенных энергиях, и обнаруженные значения масс и времен жизни являются
характерными и устойчивыми параметрами микромира. В этом смысле резонансы
можно рассматривать как полноценные частицы наравне с долгоживущими.
Что же касается позиции экспериментатора, то тут, очевидно, все дело в
определенной договоренности. В древние времена частицей могли считать
объект, который можно видеть или осязать. Но видеть невооруженным глазом -
одно, разглядеть с помощью специального прибора - несколько другое.
Применение телескопа и микроскопа Г. Галилеем привело к огромному сдвигу в
научном постижении мира; но потребовалось немало времени, прежде чем люди
осознали объективную реальность наблюдаемых таким образом несовершенств
лунной поверхности или беспорядочных метаний мельчайших частичек вещества. В
этом отношении ученые всегда пользовались известным преимуществом в
понимании новых элементов реальности - они непосредственно ощущали пользу от
своих "хитрых" приборов и гораздо быстрее привыкали к представлениям о тех
или иных невидимках. Для людей, стоящих в стороне от конкретных
естественнонаучных исследований, восприятие несколько затруднялось. Помните
великолепные строчки из чеховского "Письма к ученому соседу": "Как Вы могли
видеть на Солнце пятна, если на Солнце нельзя глядеть простыми человеческими
глазами..."?
По поводу элементарных частиц также приходится заключать определенный
договор. До поры до времени для регистрации новой частицы было необходимо
предъявить ее портрет (еще лучше целый альбом!) - фотографию следа в камере
Вильсона или ином приборе - переводчике с "микро" на "макро".
Регистрация каждого резонанса требует огромного числа специально
обработанных данных, получаемых с сотен фотографий, причем ни на одной из
них сам резонанс не оставляет собственного заметного следа - он лишь
определенным образом перераспределяет размеры и направления заметных следов
других частиц. Поэтому наблюдение резонанса предполагает дополнительную
процедуру измерения по сравнению с ситуацией, где в игре участвуют только
стабильные или долгоживущие частицы. Но если считать реставрацию резонанса
по виду распределения видимых следов вполне допустимой операцией, то он
становится полноправным членом семейства элементарных частиц.
КРАТКАЯ ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
классы частицы символ название
фотон y фотон
лептоны vе нейтрино электронное
vu
нейтрино мюонное
е
электрон
u мюон
мезоны
стабильные п пи-мезоны
K
ка-мезоны
n
эта-мезон
резонансы р ро-мезоны
w омега-мезоны
.
.
y пси-мезоны
адроны
барионы
стабильные p протон
n нейтрон
Л лямбда-гиперон
S сигма-гипероны
Е кси-гипероны
О омега-гиперон
резонансы N1470 N-1470
.
.
N3030 N-3030
.
.
Д1232 дельта-три-три
.
.
Д3230 дельта-3230
За последние 15 лет таблица частиц разрослась чуть ли не в 10 раз! Но,
как ни странно, поток адронных резонансов не привел к хаосу в наших
представлениях о микромире. Сквозь необъятные строки и столбцы таблицы
частиц стали просматриваться удивительно четкие закономерности...
СПАСИТЕЛЬНЫЕ СИММЕТРИИ
Согласно библейской легенде Ной начал строить ковчег заранее и именно
поэтому вполне благополучно пережил потоп. Нечто подобное произошло и в
физике элементарных частиц. К моменту, когда на страницы научных журналов
хлынул поток сообщений об открытии адронных резонансов, у теоретиков были
подготовлены неплохие спасательные средства с красивым названием Высшие
Симметрии. Оказалось, что огромная таблица сильновзаимодействующих
частиц-адронов выстроена как бы не из отдельных "кирпичиков", а из целых
"крупноблочных конструкций". Иными словами, адроны можно разделять на группы
частиц с близкими свойствами, и таким образом наводить среди них весьма
четкий порядок.
Что же такое симметрия, и о каких свойствах частиц идет речь?
Симметрия буквально означает соизмеримость. Это понятие играет важную
роль в физике, как, впрочем, и во многих других областях научной и
практической деятельности. Например, архитектор стремится, как правило,
создавать симметричные здания со строгим равенством всех деталей
относительно центра фасада - справа и слева должно располагаться одинаковое
количество колонн, ступеней, окон, дверей...
Такое полностью симметричное здание обладает одним интересным
свойством. Предположим, перед вами лежат два его фотоизображения, причем
одно из них получено при непосредственном фотографировании изображения этого
же здания в обыкновенном зеркале. Нетрудно догадаться, что при тщательном
изготовлении обоих снимков никто не сумеет определить, где же изображено
само здание, а где его зеркальный двойник. Мы сталкиваемся здесь с важным
свойством симметричного объекта - его вид сохраняется при зеркальном
отражении.
На самом деле любые формы симметрии тел или процессов связаны со
свойством сохранения какой-либо величины. Верно и обратное утверждение: если
есть закон сохранения, то за ним непременно скрывается определенная
симметрия. Именно исследование законов сохранения и привело физиков к идеям
группировки элементарных частиц.
Прежде всего остановимся на двух так называемых абсолютных законах
сохранения: электрического и барионного зарядов (или квантовых чисел). К
тому, что электрический заряд в некотором замкнутом объеме не исчезает
бесследно и не появляется из ничего, мы привыкли с довольно давних времен.
Новинки >> Русской фантастики (по файлам) | Форумов | Фэндома | Книг