52. ЧТО УДЕРЖИВАЕТ ЧАСТИЦЫ ЯДРА ВМЕСТЕ

Во многих атомных явлениях ядро можно было считать массивной заряженной частицей; рассматривать внутреннее строение ядра в этих случаях практически не имело смысла. Однако, когда стало ясно, что ядра могут делиться или превращаться в другие ядра, т. е. ядра следует рассматривать как связанные системы протонов и нейтронов (ядро водорода — один протон, ядро гелия — два протона и два нейтрона и т. д.), настойчиво возникал один и тот же вопрос, уклоняться от которого становилось все труднее и труднее: что же удерживает частицы ядра вместе, так что их комбинация ведет себя как единое целое?

Хотя сфера ядерных явлений далека от области планетарных движений и даже от сферы атомных явлений, можно считать разумной попытку понять устойчивость ядер, вводя какие-то новые силы, значительно превышающие по величине все известные к тому времени силы. Из известных уже сил кулоновские силы, действующие внутри ядра, были не притягивающими, а отталкивающими, гравитационные силы были слишком слабыми, а незадолго до того открытые силы, связанные с -распадом, оказались по оценкам вероятности Р-распада примерно в 1011 раз слабее электромагнитных сил.

Следовательно, говоря на языке классической физики, необходимо было ввести какие-то новые силы, способные удерживать нуклоны (протоны и нейтроны) вместе. Юкава писал:

«Недавно Ферми рассмотрел задачу -распада, основываясь на гипотезе существования «нейтрино». Согласно его теории, нейтрон и протон могут взаимодействовать друг с другом, излучая и поглощая пару из нейтрино и электрона. К сожалению, вычисленная в таком предположении энергия связи оказалась слишком малой, чтобы объяснить наблюдаемые энергии связи нейтронов и протонов внутри ядра.

Этот дефект можно устранить, видоизменив теорию Гейзенберга и Ферми следующим естественным образом. Переход тяжелой частицы из нейтронного состояния в протонное состояние не всегда сопровождается излучением легких частиц — нейтрино и электрона, а может иногда сопровождаться излучением другой тяжелой частицы, уносящей энергию, освобождающуюся при таком переходе... Если вероятность последнего процесса значительно превышает вероятность первого, то взаимодействие между нейтроном и протоном будет намного сильнее, чем в теории Ферми, в то время как вероятность излучения легких частиц останется практически неизменной.

Такое взаимодействие между элементарными частицами можно описать с помощью силового поля подобно тому, как взаимодействие между заряженными частицами описывается с помощью электромагнитного поля. Из приведенных выше рассуждений следует, что взаимодействие тяжелых частиц с этим полем значительно сильнее, чем взаимодействие с ним легких частиц. В квантовой теории этому полю должен соответствовать новый вид квантов (электромагнитному полю соответствуют фотоны). В этой статье будет кратко обсуждена возможная природа этого поля и сопутствующих ему квантов в проблеме строения ядра» [1].

Идея, высказанная Юкавой в этой статье (эту идею из-за математических трудностей так и не удалось довести до логического конца), стала с тех пор доминирующей в ядерной физике и в физике элементарных частиц. Ядерные силы должны быть очень большими; они намного превышают электрические силы расталкивания, действующие между протонами, так что ядра оказываются относительно устойчивыми системами. Вместе с тем ядерные силы должны иметь очень короткий радиус действия. Действительно, все детали атомных и молекулярных явлений можно успешно объяснить, учитывая лишь электромагнитные силы. Из опытов же по рассеянию протонов на протонах (скажем, на ядрах водорода) следует, что ядерные силы, будучи большими по величине, действуют на очень малом расстоянии.

Юкава предположил, что эта новая сила возникает при обмене тяжелым квантом между двумя нуклонами подобно тому, как при обмене фотоном появляется электромагнитная сила (фиг. 298). С точки зрения квантовой теории поля сила, действующая между двумя заряженными частицами, обусловлена обменом фотоном. Величина этой силы определяется величиной постоянной связи в каждой из вершин диаграммы:

По аналогии с этим Юкава предположил, что между любыми двумя нуклонами (нейтрон — нейтрон, нейтрон — протон или протон — протон) может происходить обмен квантом, сходным в некотором смысле с фотоном, но обладающим ненулевой массой (фиг 299).

Массу тяжелого кванта можно оценить по предполагаемой величине радиуса действия силы. Точное соотношение между этими величинами можно получить в результате длительных и сложных расчетов

Фиг. 298.

Фиг. 299.

Однако грубо оценить массу можно с помощью принципа неопределенности, демонстрируя еще раз, как много соотношений в квантовой теории можно получить довольно простым способом, не прибегая к сложным вычислениям.

Рассуждения при этом таковы. Если в начальном состоянии имеются два нуклона (покоящиеся, например, друг относительно друга), то они не могут перейти в состояние с двумя нуклонами и одним мезоном так, чтобы энергия при этом сохранялась. Тогда, согласно принятому нами способу описания, можно сказать, что в таком состоянии (виртуальном состоянии, где не выполняется закон сохранения энергии) энергия системы является неопределенной величиной.

Фиг. 300. Неопределенность энергии двухнуклонной системы равна как минимум энергии тяжелого кванта, поскольку система может находиться как в состоянии а с двумя нуклонами, так и в состоянии с двумя нуклонами и одним тяжелым квантом

Время жизни виртуального состояния можно оценить, используя соотношение неопределенностей:

Если два нуклона обмениваются тяжелым квантом, то неопределенность их энергии по меньшей мере такая же, как энергия этого кванта, поскольку рассматриваемая система может состоять либо из двух нуклонов, либо из двух нуклонов и одного тяжелого кванта (фиг 300),

(Может, конечно, происходить обмен и двумя квантами, однако получающийся при этом радиус действия сил оказывается еще короче, чем при обмене одним квантом.)

Энергия тяжелого кванта равна его кинетической энергии, которая может меняться от нуля до любой величины, плюс его энергия покоя поэтому минимальное возможное значение энергии равно отсюда время жизни виртуального состояния

Какое расстояние может пройти тяжелый квант за это время? Допустим, что он движется со скоростью света (быстрее двигаться он не может). Тогда за время он пройдет путь

что и является оценкой радиуса действия силы, возникающей при обмене тяжелым квантом.

В случае фотона, масса покоя которого равна нулю, полученное выражение дает бесконечно большое значение радиуса действия. Это означает, что сила, возникающая между заряженными частицами при обмене фотоном (кулоновская сила), чувствуется на любом расстоянии или, точнее, проявляется на макроскопических расстояниях.

Пользуясь полученным соотношением и оценками радиуса действия новой силы, вычисленными, например, на основе данных экспериментов по рассеянию нуклонов, можно определить массу тяжелого кванта. Полагая, что — порядка см, получаем для массы тяжелого кванта величину, превышающую массу электрона примерно в 250 раз:

Юкава писал:

«Поскольку такой квант, обладающий большой массой и положительным или отрицательным зарядом, никогда не наблюдался на опыте, изложенная выше теория, по-видимому, неверна. Тем не менее мы можем показать, что при обычных ядерных превращениях такой квант не может излучиться во внешнее пространство» [2].

Проявляя определенную скромность, Юкава считал, что его теория, возможно, неверна, однако затем он доказал (его аргументация воспроизведена ниже), что новый тяжелый квант невозможно наблюдать в тех ядерных превращениях, которые к тому времени были известны, и что можно лишь надеяться на его обнаружение, если будут созданы подходящие условия.

В отличие от фотона новый квант может быть заряженным, так тсак при его поглощении или испускании протон, например, может

превратиться в нейтрон (фиг. 301). (Сравнительные экспериментальные оценки величины сил, действующих между парами частиц протон — протон, протон—нейтрон и т. д., позволили предположить начилие определенной симметрии при взаимодействии нуклонов и нового кванта. С точки зрения ядерных взаимодействий, т. е. без учета зарядов, протон и нейтрон являются двумя вырожденными состояниями одной квантовой системы—нуклона.)

Фиг. 301. Взаимодействие нуклонов при обмене заряженным или нейтральным тяжелыми квантами. В каждом графе заряд сохраняется.

Поскольку этот новый квант никогда ранее не наблюдался на опыте, можно было считать, что он не наблюдается в обычном веществе и что его время жизни очень мало. Он мог существовать в качестве виртуальной частицы, вызывающей действие ядерных сил между нуклонами; в тех случаях, когда он мог образоваться, он сразу же распадался, ускользая от наших наблюдений. Время жизни нового кванта не должно было быть очень большим, чтобы он смог служить в качестве переносчика ядерных сил. Грубо говоря, если квант сильно взаимодействует с ядерными частицами и успевает за время своей жизни пролететь от одного нуклона до другого или, для большей надежности, совершить несколько путешествий туда и обратно, то такой квант, можно считать, справился со своими обязанностями. Но время пролета кванта от одного нуклона до другого имеет порядок

(делая эту оценку, мы положили, что скорость частицы равна одной трети скорости света).

Сейчас известно, что время жизни частицы Юкавы, обнаруженной позднее (она будет описана ниже), порядка одной стомиллионной доли секунды. Хотя эта величина и мала в обычных масштабах, для ядерных взаимодействий она более чем достаточна, и новый квант можно считать очень долго живущей частицей, так как за время своей жизни он успевает совершить более триллиона путешествий от одного нуклона к другому.

В ядерных превращениях, известных до работы Юкавы, таких как или -распады, сопровождающие естественный радиоактивный распад урана, энергия ядра изменяется на величину порядка нескольких МэВ. Однако энергия покоя нового кванта, обладающего массой, в 250 раз превышающей массу электрона, должна быть порядка 125 МэВ. Именно такую энергию следует сообщить системе нуклон — нуклон, чтобы выбить из нее тяжелый квант. На этом основании Юкава заключил, что при обычных ядерных превращениях, наблюдавшихся до того времени, энергия была слишком малой, чтобы образовался новый квант.

Однако эти новые частицы могли возникать при столкновениях высокоэнергичных частиц, таких как частицы космического излучения, приходящие в земную атмосферу, или ядерные частицы, искусственно ускоренные в машинах, специально созданных (немного позднее) для этих целей.

В заключение Юкава писал:

«Взаимодействия элементарных частиц описываются при помощи гипотетического кванта, обладающего элементарным зарядом и соответствующей массой... Чтобы объяснить сильное взаимодействие между нейтроном и протоном, следует допустить, что взаимодействие между этим квантом и тяжелой частицей значительно сильнее, чем взаимодействие между ним и легкой частицей...

Такие кванты, если они вообще существуют, приблизившись достаточно близко к веществу, поглотились бы им и передали бы ему свой заряд и энергию...

Тяжелые кванты могут также играть определенную роль в ливневых процессах, вызванных космическими лучами...» [3].

Почти в то же самое время Андерсон и Неддермайер интенсивно изучали заряженные частицы космического излучения (об этой работе Юкава не знал). Они обнаружили, что существуют какие-то новые положительные и отрицательные частицы, масса которых является промежуточной между массами электрона и протона; трудно было не соблазниться и не заключить, что они-то и есть частицы, предсказанные Юкавой и объясняющие природу ядерных сил. В письме к Милликену Нильс Бор писал в 1938 г.:

«История открытия этих частиц, безусловно, замечательна, и осторожность, которую я высказал во время дискуссий, проходивших в Пасадене в те незабываемые дни позапрошлой весной, диктовалась лишь сознанием тех важных следствий работы Андерсона, которые неизбежны, если доказательство существования новых частиц окажется действительно убедительным. Сейчас я не знаю, что восхищает меня больше — изобретательность и прозорливость Юкавы или упорство, с которым группа в вашем институте выслеживает малейшие признаки новых явлений» [41.

Однако дальше события развивались не так гладко; исследования взаимодействия этих ядерных частиц привели к весьма неожиданным результатам. В 1947 г. Конверси, Панчини и Пиччиони опубликовали результаты опыта по изучению взаимодействия космических частиц, обладающих промежуточной массой, с атомными ядрами. Эти результаты, как подчеркивали Ферми, Теллер и Вайскопф, свидетельствовали о том, что взаимодействие этих частиц с ядрами вместо того, чтобы быть сильным, как было бы, если бы эти частицы переносили ядерные силы, оказалось чрезвычайно слабым, примерно в сто миллиардов раз слабее электромагнитного взаимодействия.

Эти результаты вызвали непродолжительный кризис, после которого произошла вспышка теоретической активности. В частности, Саката, Иноуэ, Бете и Маршак предположили, что наблюдавшиеся частицы с промежуточной массой действительно мезоны, но это не те частицы, о которых говорил Юкава. По-видимому, частиц с промежуточной массой много (во всяком случае, имеется более чем одна разновидность таких частиц), поэтому поспешный вывод о том, что любая частица с промежуточной массой является частицей Юкавы, является ошибочным. Как ни странно, но это предположение оказалось верным. Наблюдавшаяся частица с промежуточной массой, названная позднее (х-мезоном (теперь ее называют не мезоном, а мюоном или лептоном), отнюдь не была сильно взаимодействующей частицей Юкавы, она оказалась ее дочерней частицей, т. е. продуктом ее распада.

Примерно в то же самое время Пауэлл и его коллеги в Бристоле, изучая элементарные взаимодействия в ядерных фотоэмульсиях, обнаружили два удивительных события, изображенных на фото 20. Используя методы, описанные в предыдущей главе (основанные на исследовании плотности ионизации, скорости ее изменения и отклонений треков от прямых линий), они заключили из левой фотографии на фото 20, что частица вошла слева внизу, замедлилась и остановилась в правом нижнем углу, где распалась на другую заряженную частицу, ушедшую вверх и оставившую след, и еще одну или несколько нейтральных частиц, которые исчезли, не оставив следов. Исходная начальная частица была названа -мезоном, а ее производная — -мезоном. Позднее, когда стали пользоваться более чувствительными фотоэмульсиями, было установлено, что -мезон — продукт распада -мезона — тоже распадается. Одна из частиц, на которые распадается (и-мезон, оказалась электроном (фото 21).

Теперь известно, что массы и -мезонов равны соответственно 273 и 207 массам электрона. Установлено, что именно -мезон является частицей Юкавы. Путь, пройденный -мезоном в веществе до того, как он сильно провзаимодействует с ядром, относительно мал, особенно если сравнить его с теми огромными расстояниями, которые проходят дочерние частицы, т. е. -мезоны, в обычном веществе, не испытывая сильных ядерных взаимодействий (-мезоны были обнаружены, например, глубоко под землей — в шахтах и туннелях метро).

Все взаимодействия -мезона обусловлены почти целиком только тем, что он обладает зарядом.

Сейчас установлено, что весь процесс происходит следующим образом. Если, например, исходной частицей является положительно заряженный -мезон, то сначала -мезон распадается на -мезон и нейтрино:

а затем происходит распад:

(-мезон распадается на Смысл этих выражений (напоминающих скорее формулы химических процессов, чем уравнения) состоит в том, что определенная комбинация свойств, известная как -мезон, разлагается на комбинацию свойств, приписываемых (л-мезону, и набор свойств, известный под названием нейтрино. Сам -мезон снова распадается на положительный электрон, нейтрино и антинейтрино. Поскольку следы оставляют лишь заряженные частицы, наличие незаряженных частиц, таких как нейтрино, устанавливается из баланса энергии и импульса и других сохраняющихся величин в каждом акте распада. Например, из фотографий, на которых зафиксирован распад -мезона на -мезон, можно сделать вывод, что в сторону, противоположную направлению движения -мезона, должна вылетать незаряженная частица, иначе импульс в этом распаде не сохранился бы.

Мы видим, что движение этих частиц (пока они живут) не отличается от движения других уже известных частиц, скажем электронов или протонов. Интерес представляют только их внутренние свойства, изучением которых и занята физика элементарных частиц. Она пытается ответить на следующие вопросы: какие именно комбинации свойств, отвечающих тем или иным квантам, могут существовать в нашем мире? Как долго они живут? С чем они взаимодействуют? И во что они превращаются?