Александр Потупа - Бег за бесконечностью

• Название: Бег за бесконечностью
• Автор: Александр Потупа
• Издательство: Молодая гвардия
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1977

В книге рассказывается о современных представлениях об одной из самых быстроразвивающихся фундаментальных наук — физике элементарных частиц. Основное внимание уделено описанию сильновзаимодействующих частиц — адронов их поведению в различных реакциях при высоких энергиях.

---

Но ведь в природе нет, скажем, и настоящей окружности в том смысле, как ее понимают геометры. Просто, окружность — это очень полезный и бесконечно привычный образ, с помощью которого мы можем часто с весьма хорошим приближением описывать свойства реальных тел, всегда имеющих хотя бы слабые отклонения от идеальной формы.

В природе нет и «абсолютно твердых тел», которые мы обсуждали в связи со старой моделью электрона-шарика. Однако это весьма полезный образ в механике, который позволяет изучать многие движения с хорошей точностью.

Но вообще-то «вносить в природу» те или иные приближенные образы из конкретных наук надо с осторожностью. Весь многотысячелетний опыт познания говорит о том, что любой самый красивый и, казалось бы, общий научный образ рано или поздно сменяется другим, более красивым и более общим. В свое время активное противодействие представлениям квантовой механики было во многом обязано тому, что в сознании ряда людей, в том числе и физиков, прочно «склеились» образы классической механики и реальный мир. И им трудно было убедить себя в том, что, допустим, траектория электрона вовсе не необходимая принадлежность реального мира, а полезное приближенное средство для описания движения макроскопических тел.

Все это очень важно иметь в виду, обсуждая дальнейшее развитие принципов классификации в микромире.

Изотопическая симметрия заметно упорядочила наши представления, сгруппировав адроны с очень близкими значениями масс. Но, как вы помните, существовали еще и явления, связанные с рождением необычных, странных частиц в строго определенных комбинациях, скажем, попарно. Например, лямбда-гиперон мог родиться только в паре с положительно заряженным или нейтральным ка-мезоном или, наконец, вместе со своим антиподом — анти-лямбда-гипероном. Такие же закономерности прослеживались и в рождении других гиперонов и ка-мезонов. Когда же наступала пора этим частицам распадаться, такой закономерности уже не наблюдалось — любая из них распадалась на обычные адроны, как бы забывая о правилах своего рождения.

Физики отметили интересное обстоятельство — рождение странных адронов идет со значительно большей интенсивностью, чем их распад. Прямые оценки показали, что в первом случае имеет место сильное взаимодействие, а во втором — слабое. Отсюда был сделан важный вывод: странные адроны несут какой-то своеобразный заряд (квантовое число), который сохраняется в сильных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых. Эта квантовое число и было названо «странностью». Нуклону и пи-мезону можно было сопоставить нулевую странность — у них не было таких особенностей в поведении, как у странных частиц.

Лямбда- и сигма-гиперонам, независимо от знака электрического заряда, была сопоставлена «странность» минус единица, а кси-гиперону — минус два. Положительно заряженный ка-плюс-мезон и нейтральный ка-ноль-мезон должны были нести «странность» плюс единица, а их античастицы (ка-минус- и анти-ка-ноль) — противоположную. Такая расстановка нового квантового числа полностью объясняла все экспериментально изученные процессы рождения «странных» частиц.

Когда классификация адронов по «странности» была завершена, перед физиками возникла заманчивая аналогия. Раз протон и нейтрон приближенно оказались разными зарядовыми состояниями одной частицы — нуклона, то не являются ли нуклон и гипероны, свою очередь, различными по «странности» состояниями одной и той же частицы? Не происходит ли то же самое и с пи- и ка-мезонами?

Для того чтобы поверить в такую возможность, нужно было, конечно, немалое воображение. Ведь симметрия, которая в данном случае могла появиться, была бы нарушена гораздо сильней, чем изотопическая. Это видно хотя бы из того, что разность масс «странных» и «нестранных» адронов не столь уж мала по сравнению с самими величинами масс. Относительная разность может достигать здесь десятков процентов! Теперь уже нарушение новой симметрии нельзя приписать электромагнитным взаимодействиям, а необходимо вводить два типа сильного взаимодействия: предельно сильное и умеренно сильное.

В воображаемом мире, где существует только предельно сильное взаимодействие, все восемь стабильных барионов выглядят как один. Если включить умеренно сильное взаимодействие, то произойдет расщепление на «нестранные» нуклоны и «странные» гипероны — мы как бы увидим 4 типа частиц. И наконец, если включить электромагнитное взаимодействие, то произойдет более полное расщепление, и перед нами предстанут все восемь барионов с различными значениями электрического заряда и «странности».

Нечто подобное произойдет и с восемью стабильными мезонами (тремя пи-, четырьмя ка- и эта-мезонами): в мире предельно сильного взаимодействия они будут на одно лицо, будто это одна частица. По мере включения умеренно сильных и электромагнитных взаимодействий единый мезон будет все сильней расщепляться, пока не появятся все 8 реальных частиц.

Именно с такой идеей группировки адронов и выступили в 1961 году М. Гелл-Манн и Ю. Нееман. Предельно сильные взаимодействия предположили они, должны обладать особой унитарной симметрией, так чтобы восемь легчайших барионов и восемь легчайших мезонов участвовали в этих взаимодействиях совершенно симметрично независимо от электрических зарядов и «странности».

В новой системе классификации все наблюдаемые адроны относились к определенному набору, который может включать одну, восемь или десять частиц. Все адроны, в том числе и резонансы, действительно были приписаны к одному из таких наборов. Это привело, конечно, к очень экономичному представлению таблицы элементарных частиц — гораздо более «крупноблочному», чем в случае использования только изотопической симметрии.

Рассматривая каждый набор в воображаемом мире, где учтены только предельно сильные взаимодействия, как единую частицу, можно было затем включить умеренно сильные взаимодействия и оценить возникающее за счет него расщепление масс. Таким способом и были получены соотношения между массами для различных состояний каждого набора. В тех случаях, когда все частицы данного набора были известны, эта операция приводила к удивительно хорошему согласию теории и эксперимента.

Расчет соотношений между массами адронов внутри каждого набора и привел к важному открытию, которое стало основным свидетельством в пользу схемы Гелл-Манна — Неемана.

Дело в том, что, пытаясь укомплектовать набор из 10 барионов, физики столкнулись с небольшой трудностью. Среди известных адронов довольно быстро обнаружились девять хороших кандидатов в эту «десятку». Эти кандидаты представляли собой короткоживущие барионные резонансы: 4 частицы дельта-1232 (это различные зарядовые состояния резонанса, открытого Э. Ферми), 3 сигма-1385 и 2 кси-1530. А вот десятого — «замыкающего» — подыскать не удалось. Его масса была вычислена на бумаге и должна была составлять примерно 1670 МэВ. Были заранее известны и многие другие свойства, например, его «странность» должна была быть равна минус три и электрический заряд минус единице. Но среди известных адронов такая частица не значилась. И только в самом начале 1964 года из Брукхэвенской национальной лаборатории было получено необходимое известие: на одной из 50 тысяч фотографий зарегистрирован каскад из целых семи частиц, связанный с распадом нового гиперона с массой около 1670 МэВ! Новая частица была названа омега-минус-гипероном.

Открытие омега-минус-гиперона укрепило веру в унитарную классификацию, и в настоящее время она считается общепринятой. Это, конечно, не означает, что физикам стало все ясно в адронном мире. Остаются и возможности обобщения, и непонятные проблемы.

Дело в том, что с математической точки зрения и изотопическая симметрия В. Гейзенберга, и унитарная симметрия, предложенная М. Гелл-Манном и Ю. Нееманом, являются различными формами унитарных симметрии общего типа. Вторая оказывается просто симметрией более высокого типа, чем первая; именно поэтому она и позволяет объединять частицы в более крупные наборы, «блоки», и часто называется Высшей Симметрией.

А не могут ли проявиться еще более высокие унитарные симметрии адронов? Такую возможность никак нельзя исключить. Ведь схема Гелл-Манна — Неемана основана на сохранении только двух квантовых чисел — электрического заряда и «странности».

В 1964 году американские теоретики Дж. Бьеркен и С. Глешоу ввели в рассмотрение новый точный или приближенный закон сохранения, соответствующий особому квантовому числу — «очарованности». Такая возможность открывала путь к более высокой симметрии сильных взаимодействий и позволяла преодолеть некоторые проблемы предшествующих моделей.

Едва ли не главная из этих проблем состояла в том, что схема классификации Гелл-Манна — Неемана допускала существование удивительных наборов из 3 частиц. Просто не обращать внимания на эти наборы было нельзя, так как они играли фундаментальную роль для указанной схемы. Но частицы в этих наборах должны были иметь столь необычные свойства — в частности, дробные электрические и барионные заряды, — что включить их в рассмотрение было не так уж просто. Итак, либо новый закон сохранения, либо совершенно необычные частицы…