Виды элементарных частиц

Как трудно иногда подобрать подходящее название вновь открываемому явлению или объекту во Вселенной!

В XX веке чаще всего приходилось задумываться над этой вечной проблемой астрофизикам и исследователям причудливого мира элементарных частиц, на долю которых в наши дни выпало, вероятно, самое большое число открытий в физике. В их распоряжении и наиболее мощные инструменты изучения Природы — большие оптические, рентгеновские, нейтринные и радиотелескопы, огромные ускорители и чувствительные детекторы частиц, из которых состоит атом, космические лучи, вещество атомных ядер.

Адроны

Астрофизики обычно используют для названий кратеров, равнин, вулканов на небесных телах, а также астероидов, малых звезд и комет фамилии первооткрывателей, а для планет Солнечной системы, звезд и спутников планет — имена мифологических героев.

Исследователям микромира хочется, чтобы названия хотя бы некоторых элементарных частиц отражали особенности их поведения. Видимо, поэтому для сильно взаимодействующих частиц (в их число, в частности, входят и основные компоненты ядра — нейтроны и протоны) известный советский физик, член-корреспондент Академии наук Л. Б. Окунь предложил название «адроны», что в переводе с греческого означает «сильные», «крепкие».

Элементарных частиц сейчас обнаружено очень много: сравнительно долгоживущих — около сорока, а частиц с очень малым временем жизни, называемых даже не частицами, а резонансами,— больше нескольких сотен. Слова «очень мало», конечно, весьма приближенно описывают реальность, ведь за время своей быстротечной жизни резонансы едва успевают пролететь расстояние меньшее, чем… диаметр атома.

Конечно, физикам давно хочется навести порядок в государстве элементарных частиц, создать своего рода таблицу частиц — по образу и подобию таблицы химических элементов Менделеева. Ученые думают (и не без оснований), что многие элементарные частицы составлены в свою очередь из еще более элементарных, которых должно быть совсем немного. Свойства таких основных элементарных частиц недавно были описаны, и они оказались удивительными во многих отношениях.

Одно из этих свойств — дробный электрический заряд, равный одной или двум третям обычного единичного заряда, которым наделен, например, электрон. Странно, не правда ли? Но только так из нескольких основных частиц можно составить все остальные.

Глюоны

Второе не очень понятное свойство основных частиц — невозможность их существования в свободном виде. Вернее, энергии современных ускорителей не хватает, чтобы высвободить их из связанного состояния, так прочно соединены они между собой внутри частиц с помощью особых переносчиков энергии, названных глюонами — от английского слова «глю» — клей. Может быть, основные первичные частицы удастся обнаружить в просторах космоса, ведь не исключено, что космические лучи иногда приносят такие частицы в атмосферу Земли.

Одно и то же вещество — вода предстает перед нами в самых различных обличьях — снега, стоячей воды, дождя, фонтанных брызг, морской пены. Бесконечны, разнообразны и формы, которые принимают элементарные частицы.

Недавно в опытах одной из исследовательских групп будто бы удалось под действием электрических и магнитных полей особой конфигурации обнаружить несколько частиц с дробным электрическим зарядом на шариках из ниобия. Но другие исследователи пока не могут воспроизвести эти результаты. А ведь опыт развития науки говорит о том, что настоящее физическое открытие обычно легко проверяется и повторяется во всех лабораториях мира. Вспомним хотя бы про лучи Рентгена…

Кварки

Один из физиков-теоретиков, предсказавших существование частиц с дробным электрическим зарядом, известный ученый М. Мак-Геллман предложил для них название «кварки», в котором чудится некоторое сомнение в их реальном свободном существовании. Слово «кварки» придумал английский писатель Джеймс Джойс. В его романе «Поминки по Финнегану» главному герою кажется, что он король Марк из средневековой легенды, у которого племянник Тристан похитил жену Изольду. Король гонится за беглецами на корабле, над ним кружатся чайки и кричат таинственно, непонятно, страшно: «Три кварка мистеру Марку!» И потом все громче: «Три кварка, три кварка, три кварка!» Загадкой для читателя остаются эти неуловимые оборотни — кварки, рожденные фантазией Джойса. Далеко не всё знают пока про кварки-частицы и физики.

Стремление упорядочить систему различных взаимодействий в Природе привело ученых к выводу, что все их можно разделить на четыре основные группы: гравитационные, электромагнитные, сильные и слабые силы.

Гравитационные силы, как мы хорошо знаем, притягивают планеты друг к другу и к Солнцу; электромагнитные поля и силы определяют электрические явления в природе и технике, благодаря их существованию работают электростанции, вращаются электромоторы, передаются и принимаются радио- и телевизионные сигналы, распространяются ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные, рентгеновские лучи. Представление о слабых и сильных силах и взаимодействиях пришло в физику в XX веке по мере углубления наших знаний о природе элементарных частиц и явлений, происходящих на далеких звездах.

В первой главе рассказывалось, как была создана теория строения атомного ядра, состоящего из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Что же удерживает эти частицы на столь близком расстоянии друг от друга? Это не могут быть силы тяготения (они слишком слабы) или электромагнитные силы — одноименно заряженные протоны должны по закону Кулона отталкиваться, а не притягиваться друг к другу. Физикам пришлось предположить, что в природе существуют особые ядерные силы, получившие название сильных взаимодействий, проявляющие всю свою мощь на малых расстояниях — порядка диаметра ядра атома. Ядерные силы, которые однажды были образно названы «гигантом с короткими руками», в сотни раз энергичнее электромагнитных сил.

Элементарные частицы непрерывно превращаются друг в друга, будто актеры-кукольники, попеременно меняющие маски.

Кто же осуществляет проявление этих сил во времени и пространстве? Электромагнитное взаимодействие, как мы знаем, происходит благодаря обмену квантами, или фотонами, например, от Солнца на Землю летят кванты самых разных энергий, переносящие солнечное электромагнитное излучение.

Энергию поля тяготения переносят, вероятно, гравитоны, которые упорно ищут ученые разных стран.

Пи-мезоны

Японский физик Хидеки Юкава в 1935 году теоретически рассчитал, что составные части ядра удерживаются на близком расстоянии друг от друга благодаря существованию особых частиц — квантов ядерного поля, названных пи-мезонами. В 1947 году пи-мезоны были экспериментально обнаружены! Как и предсказывал Юкава, пи-мезоны бывают трех видов — нейтральные, положительно и отрицательно заряженные с массой, приблизительно в 260—280 раз большей массы электрона. Время жизни этих частиц очень невелико. Обмениваясь пи-мезонами, протоны и нейтроны в ядрах атомов непрерывно превращаются друг в друга!

Изучая превращение и гибель элементарных частиц на больших ускорителях, ученые пришли к выводу, что многие быстротечные события в микромире не могли бы происходить, если бы не существовало еще одного вида взаимодействия частиц — слабых сил. Например, очень часто наблюдается распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино. Электрон не связан сильными взаимодействиями, а антинейтрино не имеет заряда, и на него не распространяется действие электромагнитных сил.

Слабые силы получили свое название из-за того, что они во много миллиардов раз слабее ядерных сил. Распад частиц под влиянием этих сил происходит сравнительно медленно (по атомным масштабам). Эти силы удивительно широко распространены в Природе. Превращение водорода в гелий в процессе термоядерных реакций на Солнце требует, чтобы два протона, иными словами — два ядра водорода, стали двумя нейтронами — ведь ядра гелия состоят из двух протонов и двух нейтронов. И за эту очень важную для жизни на Земле, для всей Солнечной системы реакцию ответственны именно слабые взаимодействия — они спокойно, но неотвратимо превращают протоны в нейтроны, электроны и нейтрино.

Нейтральные токи

Выдающиеся современные физики Ш. Глэшоу, С. Вайнберг и А. Салам теоретически доказали, что между слабыми и электромагнитными силами природы существует глубокое физическое единство. Много важных и интересных следствий вытекает из теории, предложенной этими учеными. В частности, ими предсказана возможность осуществления превращений элементарных частиц, в которых не происходит изменения заряда исчезающих и возникающих частиц. Такие реакции в мире элементарных частиц получили название нейтральных токов. И вот в 1973 году в ходе исследований, проведенных в СССР, США и европейских странах, существование нейтральных токов было доказано на опыте!

Если все силы, существующие в природе, действительно имеют между собой некоторые основные общие черты, то это прежде всего предполагает существование и у слабых сил своих собственных квантов, переносчиков энергии слабых взаимодействий между участвующими в них частицами. Единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий предсказывает, что квантами слабых взаимодействий должны быть довольно тяжелые частицы, уже получившие название бозонов. Масса бозонов в 80—90 раз больше массы протонов, и их можно обнаружить в очень сложных экспериментах на ускорителях, сталкивая между собой встречные пучки протонов и антипротонов больших энергий.

Идея использования встречных пучков, позволившая во много раз увеличить энергию сталкивающихся элементарных частиц, впервые была предложена и теоретически обоснована академиком Г. И. Будкером, руководителем Института ядерной физики Сибирского отделения Академии наук СССР, и его сотрудниками. Идея получила всемирное признание, и ускорители на встречных пучках стали строиться не только в СССР, но и во многих других странах мира. Группа советских ученых во главе с Г. И. Будкером была удостоена за эту работу в 1967 году Ленинской премии.

На ускорителе международного Центра ядерных исследований в Женеве опыты по поиску бозонов начались летом 1981 года; на более мощном ускорителе в Лаборатории им. Энрико Ферми, находящемся вблизи Чикаго, исследователи начали «сталкивать» протоны с антипротонами в 1985 году.

Уверенность большинства ученых в справедливости основных положений теории, объединяющей слабые и электромагнитные взаимодействия, столь велика, что ее авторы были награждены в 1979 году Нобелевской премией по физике. В начале 1983 года в научной печати появилось сообщение: в опытах на ускорителе в Женеве обнаружены описанные теоретиками бозоны!

Следующим логичным шагом в развитии теории элементарных частиц должно стать объяснение с единых позиций не только слабых и электромагнитных, но и сильных взаимодействий. Эта будущая теория уже получила торжественный титул: «Великое объединение». Пока ученые приходят к выводу, что частицы, подобные фотонам и бозонам, которые могли бы играть роль единых переносчиков энергии во всех трех видах взаимодействий, должны иметь столь большую массу, что обнаружить их на современных ускорителях практически нельзя. Может быть, явления, происходящие в далеких от нас галактиках и звездах, позволят пролить свет на загадочные вопросы физики элементарных частиц, и мир большой теперь поможет миру малому? Хотя бы в благодарность за то, что крохотные нейтрино и антинейтрино, существование которых было предсказано теоретически, а затем подтверждено в экспериментах на атомных реакторах в обычных земных условиях, позволили расшифровать многие секреты Солнца и звезд…

Источник: Марк Колтун “Мир физики“.