Александр Потупа - Бег за бесконечностью
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. Когда речь идет об элементарных частицах, то закон сохранения электрического заряда означает, что алгебраическая сумма числа положительных и отрицательных зарядов до начала реакции и после нее не изменяется. Этот закон проверен в таком количестве опытов и со столь высокой степенью точности, что его относят к числу абсолютных законов сохранения. Важно то, что он выполняется в любых реакциях и ни одно из известных взаимодействий не способно его нарушить.
