-->
|
|
|
|
|
Ãëàâà 14. Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû § 114. Òðè ýòàïà â ðàçâèòèè ôèçèêè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö ýòîé ãëàâå ðå÷ü ïîéäåò î ÷àñòèöàõ, êîòîðûå íåëüçÿ ðàçäåëèòü è èç êîòîðûõ ïîñòðîåíà âñÿ ìàòåðèÿ. Âû óæå áîëåå èëè ìåíåå çíàêîìû ñ ýëåêòðîíîì, ôîòîíîì, ïðîòîíîì è íåéòðîíîì. Íî ÷òî æå òàêîå ýëåìåíòàðíàÿ ÷àñòèöà? Ýòàï ïåðâûé. Îò ýëåêòðîíà äî ïîçèòðîíà: 1897—1932 ãã. (Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû — «àòîìû Äåìîêðèòà» íà áîëåå ãëóáîêîì óðîâíå.) Êîãäà ãðå÷åñêèé ôèçèê Äåìîêðèò íàçâàë ïðîñòåéøèå íåðàñ÷ëåíèìûå äàëåå ÷àñòèöû àòîìàìè (ñëîâî àòîì, íàïîìíèì, îçíà÷àåò «íåäåëèìûé»), òî åìó, âåðîÿòíî, âñå ïðåäñòàâëÿëîñü â ïðèíöèïå íå î÷åíü ñëîæíûì. Ðàçëè÷íûå ïðåäìåòû, ðàñòåíèÿ, æèâîòíûå ñîñòîÿò èç íåäåëèìûõ, íåèçìåííûõ ÷àñòèö. Ïðåâðàùåíèÿ, íàáëþäàåìûå â ìèðå, — ýòî ïðîñòàÿ ïåðåñòàíîâêà àòîìîâ. Âñå â ìèðå òå÷åò, âñå èçìåíÿåòñÿ, êðîìå ñàìèõ àòîìîâ, êîòîðûå îñòàþòñÿ íåèçìåííûìè. Íî â êîíöå XIX â. áûëî îòêðûòî ñëîæíîå ñòðîåíèå àòîìîâ è áûë âûäåëåí ýëåêòðîí êàê ñîñòàâíàÿ ÷àñòü àòîìà. Çàòåì, óæå â XX â., áûëè îòêðûòû ïðîòîí è íåéòðîí — ÷àñòèöû, âõîäÿùèå â ñîñòàâ àòîìíîãî ÿäðà. Ïîíà÷àëó íà âñå ýòè ÷àñòèöû ñìîòðåëè òî÷íî òàê, êàê Äåìîêðèò ñìîòðåë íà àòîìû: èõ ñ÷èòàëè íåäåëèìûìè è íåèçìåííûìè ïåðâîíà÷àëüíûìè ñóùíîñòÿìè, îñíîâíûìè êèðïè÷èêàìè ìèðîçäàíèÿ. Ýòàï âòîðîé. Îò ïîçèòðîíà äî êâàðêîâ: 1932—1964 ãã. (Âñå ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû ïðåâðàùàþòñÿ äðóã â äðóãà.) Ñèòóàöèÿ ïðèâëåêàòåëüíîé ÿñíîñòè äëèëàñü íåäîëãî. Âñå îêàçàëîñü íàìíîãî ñëîæíåå: êàê âûÿñíèëîñü, íåèçìåííûõ ÷àñòèö íåò ñîâñåì.  ñàìîì ñëîâå ýëåìåíòàðíàÿ çàêëþ÷àåòñÿ äâîÿêèé ñìûñë. Ñ îäíîé ñòîðîíû, ýëåìåíòàðíûé — ýòî ñàìî ñîáîé ðàçóìåþùèéñÿ, ïðîñòåéøèé. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ïîä ýëåìåíòàðíûì ïîíèìàåòñÿ íå÷òî ôóíäàìåíòàëüíîå, ëåæàùåå â îñíîâå âåùåé (èìåííî â ýòîì ñìûñëå ñåé÷àñ è íàçûâàþò ñóáàòîìíûå ÷àñòèöû ýëåìåíòàðíûìè). Ñ÷èòàòü èçâåñòíûå ñåé÷àñ ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû ïîäîáíûìè íåèçìåííûì àòîìàì Äåìîêðèòà ìåøàåò ñëåäóþùèé ïðîñòîé ôàêò. Íè îäíà èç ÷àñòèö íå áåññìåðòíà. Áîëüøèíñòâî ÷àñòèö, íàçûâàåìûõ ñåé÷àñ ýëåìåíòàðíûìè, íå ìîæåò ïðîæèòü áîëåå äâóõ ìèëëèîííûõ äîëåé ñåêóíäû, äàæå â îòñóòñòâèå êàêîãî-ëèáî âîçäåéñòâèÿ èçâíå. Ñâîáîäíûé íåéòðîí (íåéòðîí, íàõîäÿùèéñÿ âíå àòîìíîãî ÿäðà) æèâåò â ñðåäíåì 15 ìèí. Ëèøü ÷àñòèöû ôîòîí, ýëåêòðîí, ïðîòîí è íåéòðèíî ñîõðàíÿëè áû ñâîþ íåèçìåííîñòü, åñëè áû êàæäàÿ èç íèõ áûëà îäíà â öåëîì ìèðå (íåéòðèíî ëèøåíî ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà, è åãî ìàññà ïîêîÿ, ïî-âèäèìîìó, ðàâíà íóëþ). Íî ó ýëåêòðîíîâ è ïðîòîíîâ èìåþòñÿ îïàñíåéøèå ñîáðàòüÿ — ïîçèòðîíû è àíòèïðîòîíû, ïðè ñòîëêíîâåíèè ñ êîòîðûìè ïðîèñõîäèò âçàèìíîå óíè÷òîæåíèå ýòèõ ÷àñòèö è îáðàçîâàíèå íîâûõ. Ôîòîí, èñïóùåííûé íàñòîëüíîé ëàìïîé, æèâåò íå áîëåå 10-8 ñ. Ýòî òî âðåìÿ, êîòîðîå åìó íóæíî, ÷òîáû äîñòè÷ü ñòðàíèöû êíèãè è ïîãëîòèòüñÿ áóìàãîé. Ëèøü íåéòðèíî ïî÷òè áåññìåðòíû, òàê êàê îíè ÷ðåçâû÷àéíî ñëàáî âçàèìîäåéñòâóþò ñ äðóãèìè ÷àñòèöàìè. Îäíàêî è íåéòðèíî ãèáíóò ïðè ñòîëêíîâåíèè ñ äðóãèìè ÷àñòèöàìè, õîòÿ òàêèå ñòîëêíîâåíèÿ ñëó÷àþòñÿ êðàéíå ðåäêî. Èòàê, â âå÷íîì ñòðåìëåíèè ê îòûñêàíèþ íåèçìåííîãî â íàøåì èçìåí÷èâîì ìèðå ó÷åíûå îêàçàëèñü íå íà «ãðàíèòíîì îñíîâàíèè», à íà «çûáêîì ïåñêå». Âñå ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû ïðåâðàùàþòñÿ äðóã â äðóãà, è ýòè âçàèìíûå ïðåâðàùåíèÿ — ãëàâíûé ôàêò èõ ñóùåñòâîâàíèÿ. Ïðåâðàùåíèÿ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö ó÷åíûå íàáëþäàëè ïðè ñòîëêíîâåíèÿõ ÷àñòèö âûñîêèõ ýíåðãèé. Ïðåäñòàâëåíèÿ î íåèçìåííîñòè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö îêàçàëèñü íåñîñòîÿòåëüíûìè. Íî èäåÿ îá èõ íåðàçëîæèìîñòè ñîõðàíèëàñü. Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû óæå äàëåå íåäåëèìû, íî îíè íåèñ÷åðïàåìû ïî ñâîèì ñâîéñòâàì. Âîò ÷òî çàñòàâëÿåò òàê äóìàòü. Ïóñòü ó íàñ âîçíèêëî åñòåñòâåííîå æåëàíèå èññëåäîâàòü, ñîñòîèò ëè, íàïðèìåð, ýëåêòðîí èç êàêèõ-ëèáî äðóãèõ ñóáýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. ×òî íóæíî ñäåëàòü äëÿ òîãî, ÷òîáû ïîïûòàòüñÿ ðàñ÷ëåíèòü ýëåêòðîí? Ìîæíî ïðèäóìàòü òîëüêî îäèí ñïîñîá. Ýòî òîò æå ñïîñîá, ê êîòîðîìó ïðèáåãàåò ðåáåíîê, åñëè îí õî÷åò óçíàòü, ÷òî íàõîäèòñÿ âíóòðè ïëàñòìàññîâîé èãðóøêè, — ñèëüíûé óäàð. Ðàçóìååòñÿ, ïî ýëåêòðîíó íåëüçÿ óäàðèòü ìîëîòêîì. Äëÿ ýòîãî ìîæíî âîñïîëüçîâàòüñÿ äðóãèì ýëåêòðîíîì, ëåòÿùèì ñ îãðîìíîé ñêîðîñòüþ, èëè êàêîé-ëèáî èíîé äâèæóùåéñÿ ñ áîëüøîé ñêîðîñòüþ ýëåìåíòàðíîé ÷àñòèöåé. Ñîâðåìåííûå óñêîðèòåëè ñîîáùàþò çàðÿæåííûì ÷àñòèöàì ñêîðîñòè, î÷åíü áëèçêèå ê ñêîðîñòè ñâåòà. ×òî æå ïðîèñõîäèò ïðè ñòîëêíîâåíèè ÷àñòèö ñâåðõâûñîêîé ýíåðãèè? Îíè îòíþäü íå äðîáÿòñÿ íà íå÷òî òàêîå, ÷òî ìîæíî áûëî áû íàçâàòü èõ ñîñòàâíûìè ÷àñòÿìè. Íåò, îíè ðîæäàþò íîâûå ÷àñòèöû èç ÷èñëà òåõ, êîòîðûå óæå ôèãóðèðóþò â ñïèñêå ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. ×åì áîëüøå ýíåðãèÿ ñòàëêèâàþùèõñÿ ÷àñòèö, òåì áîëüøåå êîëè÷åñòâî ÷àñòèö ðîæäàåòñÿ. Ïðè ýòîì âîçìîæíî ïîÿâëåíèå ÷àñòèö ñ áîëüøåé ìàññîé, ÷åì ñòàëêèâàþùèåñÿ ÷àñòèöû. Ãëàâíîå, ÷òî íàäî îòìåòèòü, — ýòî òî, ÷òî âñåãäà âûïîëíÿåòñÿ çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè.
Íà ðèñóíêå 14.1 âû âèäèòå ðåçóëüòàò ñòîëêíîâåíèÿ ÿäðà óãëåðîäà, èìåâøåãî ýíåðãèþ 60 ìëðä ý (æèðíàÿ âåðõíÿÿ ëèíèÿ), ñ ÿäðîì ñåðåáðà ôîòîýìóëüñèè. ßäðî ðàñêàëûâàåòñÿ íà îñêîëêè, ðàçëåòàþùèåñÿ â ðàçíûå ñòîðîíû. Îäíîâðåìåííî ðîæäàåòñÿ ìíîãî íîâûõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö — ïèîíîâ. Ïîäîáíûå ðåàêöèè ïðè ñòîëêíîâåíèÿõ ðåëÿòèâèñòñêèõ ÿäåð, ïîëó÷åííûõ â óñêîðèòåëå, âïåðâûå â ìèðå îñóùåñòâëåíû â ëàáîðàòîðèè âûñîêèõ ýíåðãèé Îáúåäèíåííîãî èíñòèòóòà ÿäåðíûõ èññëåäîâàíèé â ã. Äóáíå ïîä ðóêîâîäñòâîì àêàäåìèêà À. Ì. Áàëäèíà. Ëèøåííûå ýëåêòðîííîé îáîëî÷êè ÿäðà áûëè ïîëó÷åíû ïóòåì èîíèçàöèè àòîìîâ óãëåðîäà ëàçåðíûì ëó÷îì. Âîçìîæíî, êîíå÷íî, ÷òî ïðè ñòîëêíîâåíèÿõ ÷àñòèö ñ íåäîñòóïíîé ïîêà íàì ýíåðãèåé áóäóò ðîæäàòüñÿ è êàêèå-òî íîâûå, åùå íåèçâåñòíûå ÷àñòèöû. Íî ñóòè äåëà ýòî íå èçìåíèò. Ðîæäàåìûå ïðè ñòîëêíîâåíèÿõ íîâûå ÷àñòèöû íèêàê íåëüçÿ ðàññìàòðèâàòü êàê ñîñòàâíûå ÷àñòè ÷àñòèö-«ðîäèòåëåé». Âåäü «äî÷åðíèå» ÷àñòèöû, åñëè èõ óñêîðèòü, ìîãóò, íå èçìåíèâ ñâîåé ïðèðîäû, ïîðîäèòü, â ñâîþ î÷åðåäü, ïðè ñòîëêíîâåíèÿõ ñðàçó íåñêîëüêî òàêèõ æå â òî÷íîñòè ÷àñòèö, êàêèìè áûëè èõ «ðîäèòåëè», äà åùå è ìíîæåñòâî äðóãèõ ÷àñòèö. Èòàê, ïî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì, ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû — ýòî ïåðâè÷íûå, íåðàçëîæèìûå äàëåå ÷àñòèöû, èç êîòîðûõ ïîñòðîåíà âñÿ ìàòåðèÿ. Îäíàêî íåäåëèìîñòü ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö íå îçíà÷àåò, ÷òî ó íèõ îòñóòñòâóåò âíóòðåííÿÿ ñòðóêòóðà. Ýòàï òðåòèé. Îò ãèïîòåçû î êâàðêàõ (1964 ã.) äî íàøèõ äíåé. (Áîëüøèíñòâî ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö èìååò ñëîæíóþ ñòðóêòóðó.)  60-å ãã. âîçíèêëè ñîìíåíèÿ â òîì, ÷òî âñå ÷àñòèöû, íàçûâàåìûå ñåé÷àñ ýëåìåíòàðíûìè, ïîëíîñòüþ îïðàâäûâàþò ýòî íàçâàíèå. Îñíîâàíèå äëÿ ñîìíåíèé ïðîñòîå: ýòèõ ÷àñòèö î÷åíü ìíîãî. Îòêðûòèå íîâîé ýëåìåíòàðíîé ÷àñòèöû âñåãäà ñîñòàâëÿëî è ñåé÷àñ ñîñòàâëÿåò âûäàþùèéñÿ òðèóìô íàóêè. Íî óæå äîâîëüíî äàâíî ê êàæäîìó î÷åðåäíîìó òðèóìôó íà÷àëà ïðèìåøèâàòüñÿ äîëÿ áåñïîêîéñòâà. Òðèóìôû ñòàëè ñëåäîâàòü áóêâàëüíî äðóã çà äðóãîì. Áûëà îòêðûòà ãðóïïà òàê íàçûâàåìûõ ñòðàííûõ ÷àñòèö: K-ìåçîíîâ è ãèïåðîíîâ ñ ìàññàìè, ïðåâûøàþùèìè ìàññó íóêëîíîâ.  70-å ãã. ê íèì ïðèáàâèëàñü áîëüøàÿ ãðóïïà ÷àñòèö ñ åùå áîëüøèìè ìàññàìè, íàçâàííûõ î÷àðîâàííûìè. Êðîìå òîãî, áûëè îòêðûòû êîðîòêîæèâóùèå ÷àñòèöû ñ âðåìåíåì æèçíè ïîðÿäêà 10-22—10-23 ñ. Ýòè ÷àñòèöû áûëè íàçâàíû ðåçîíàíñàìè, è èõ ÷èñëî ïåðåâàëèëî çà äâåñòè. Âîò òîãäà-òî (â 1964 ã.) Ì. Ãåëë-Ìàííîì è Äæ. Öâåéãîì áûëà ïðåäëîæåíà ìîäåëü, ñîãëàñíî êîòîðîé âñå ÷àñòèöû, ó÷àñòâóþùèå â ñèëüíûõ (ÿäåðíûõ) âçàèìîäåéñòâèÿõ, — àäðîíû — ïîñòðîåíû èç áîëåå ôóíäàìåíòàëüíûõ (èëè ïåðâè÷íûõ) ÷àñòèö — êâàðêîâ. Êâàðêè èìåþò äðîáíûé ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä  íàñòîÿùåå âðåìÿ â ðåàëüíîñòè êâàðêîâ íèêòî íå ñîìíåâàåòñÿ, õîòÿ â ñâîáîäíîì ñîñòîÿíèè îíè íå îáíàðóæåíû è, âåðîÿòíî, íå áóäóò îáíàðóæåíû íèêîãäà. Ñóùåñòâîâàíèå êâàðêîâ äîêàçûâàþò îïûòû ïî ðàññåÿíèþ ýëåêòðîíîâ î÷åíü âûñîêîé ýíåðãèè íà ïðîòîíàõ è íåéòðîíàõ. ×èñëî ðàçëè÷íûõ êâàðêîâ ðàâíî øåñòè. Êâàðêè, íàñêîëüêî ñåé÷àñ èçâåñòíî, ëèøåíû âíóòðåííåé ñòðóêòóðû è â ýòîì ñìûñëå ìîãóò ñ÷èòàòüñÿ èñòèííî ýëåìåíòàðíûìè. Ëåãêèå ÷àñòèöû, íå ó÷àñòâóþùèå â ñèëüíûõ âçàèìîäåéñòâèÿõ, íàçûâàþòñÿ ëåïòîíàìè. Èõ òîæå øåñòü, êàê è êâàðêîâ (ýëåêòðîí, òðè âèäà íåéòðèíî è åùå äâå ÷àñòèöû — ìþîí è òàó-ëåïòîí ñ ìàññàìè, çíà÷èòåëüíî áîëüøèìè ìàññû ýëåêòðîíà). Êâàðêè è ëåïòîíû — èñòèííî ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû.
|
|
|