53. СТРАННЫЕ ЧАСТИЦЫ

После открытия -мезона список известных частиц можно было представить так, как показано в табл. 6. Могло бы показаться, что достигнута наконец полная унификация. Силы, действующие между заряженными частицами, можно было описывать, рассматривая фундаментальную вершину заряженная частица — фотон (фиг. 302) и

Таблица 6

обмен фотоном, изображенный на фиг. 303. Отсюда следовала вся электродинамика, выводы которой находились в прекрасном согласии с данными опытов.

Фиг. 302.

Фиг. 303.

Силы же, действующие между ядерными частицами (благодаря их «ядерным зарядам»), можно было бы понять, согласно предположению Юкавы, вводя фундаментальную вершину ядерная частица — мезон (фиг. 304) и обмен мезоном между ядерными частицами (фиг. 305).

Фиг. 304.

Фиг. 305.

Мезоны достаточно массивны, чтобы ядерные силы были короткодействующими, а поскольку мезоны сильно взаимодействуют с нуклонами (это взаимодействие примерно в 100 раз сильнее электромагнитного взаимодействия), то и величина ядерных сил должна быть значительной; последнее подтверждалось экспериментами, которые указывали на то, что -мезон действительно испытывает очень сильное ядерное взаимодействие»

Однако из-за того, что мезон-нуклонное взаимодействие было очень сильным, при расчетах нельзя было воспользоваться теорией возмущений, оказавшейся столь успешной в электродинамике.

Фиг. 306.

Фиг. 307.

Расчеты процессов первого порядка, таких как мезон-нуклонное рассеяние (фиг. 306) и нуклон-нуклонное рассеяние (фиг. 307), давали результаты, которые даже качественно не согласовывались с экспериментом,

Фиг. 308.

Считалось возможным (и даже более— вполне разумным), что такое несовпадение объясняется несовершенством метода, так как поправки более высокого порядка (фиг. 308) сравнимы по величине с членами наинизшего порядка. Кроме того, проблема перенормировки (бесконечные члены) оказалась в мезонной теории значительно более сложной. Хотя перенормировка в принципе и возможна, но для этого необходимо вводить еще одну фундаментальную вершину (мезон-ме-зонное взаимодействие), которой отвечает своя константа связи (фиг. 309) и которая не имеет аналога в квантовой электродинамике. Однако мало кто сомневался в том, что проблема все-таки состоит в нахождении нового метода вычислений, пригодного в том случае, когда связь (взаимодействие) между квантами достаточно сильна.

Фиг. 309.

Процесс Р-распада происходит как будто в результате иного взаимодействия, и его вершина имеет другой вид (фиг. 310). В течение некоторого времени считалось, что эта вершина состоит из нескольких вершин Юкавы (трехчастичных), соединенных линиями, которые соответствуют каким-то (неизвестным еще) тяжелым мезонам (фиг. 311).

Фиг. 310.

Можно было говорить (с известной долей оптимизма) о существовании между частицами взаимодействия, вызванного обменом «гравитонами», или квантами гравитационного поля со спином 2, как это предлагает квантовая теория гравитации. Однако эта теория разработана несравненно хуже, чем ее классический предел (теория Ньютона или теория Эйнштейна).

Фиг. 311

Таким образом, все известные взаимодействия разбивались на четыре класса (табл. 7). С точки зрения этой схемы находило то или иное оправдание существование всех частиц. Полное число частиц было невелико, и никто не возражал, что их можно считать элементарными. (Мюон, правда, всегда казался своего рода «бесплатным приложением». Такое положение сохранилось, по-видимому, до сих пор; пока что не удалось объяснить нужду в его существовании.)

Таблица 7

Однако надежда, что все элементарные частицы уже известны, рассеялась в течение пятидесятых годов, когда одна за другой были открыты новые частицы, обладавшие разнообразными свойствами. Уже в 1944 г. Лепринс-Ринге в Париже наблюдал треки, которые нелегко было приписать уже известным частицам. В 1947 г. в Манчестере Рочестер и Батлер обнаружили среди фотографий, снятых в камере Вильсона, две изображенных на фото 22 (фиг. 312).

Фиг. 312. Схемы процессов, приведенных на фото 22.

Сначала из-за характерной -образной формы треков эти новые частицы были названы -частицами. Однако вскоре стало ясно, что эти частицы могут обладать различными по знаку зарядами различными массами и что некоторые из них мезонного типа, а другие нуклонного типа.

Фиг. 313.

Такие наблюдения не были единичными. Вскоре были обнаружены другие новые частицы, причем в таком количестве, что стало очевидным, что при достаточно больших энергиях бомбардирующих частиц появление этих частиц — скорее правило, чем исключение. По количеству таких событий можно было заключить, что они происходят благодаря взаимодействию примерно такой же силы, как и сильное (мезон-нуклонное) взаимодействие. В типичном событии такого рода (фиг. 313) налетающий -мезон исчезает в точке А. Треки двух частиц, возникающих в точке В, отождествляются с -мезоном и протоном, общая масса которых равна 1078 МэВ. Промежуток между А и В, который было естественно приписать пролету нейтральной частицы, не удавалось отождествить ни с одной из известных тогда частиц. Далее, время жизни этой невидимки оказалось порядка с. (Ее скорость можно

было определить из анализа других треков. Тогда продолжительность ее жизни вычислялась по измеренному пути, пройденному частицей до распада:

Чтобы частицу можно было заметить в камере Вильсона, она должна оставить в ней достаточно длинный след, скажем в 0,1 см. Если пренебречь релятивистским замедлением времени и считать, что скорость частицы не может превышать скорости света, то можно заключить, что в камере Вильсона можно обнаружить лишь те частицы, времена жизни которых порядка с или больше. При учете релятивистских эффектов

Но

При энергии 10 ГэВ частица с массой покоя 0,1 ГэВ (масса -мезона равна 0,140 ГэВ) обладает скоростью, удовлетворяющей соотношению

так что

и

Поэтому даже с учетом замедления времени нельзя надеяться обнаружить треки частиц (с доступными сейчас в лаборатории энергиями порядка 30 ГэВ), времена жизни которых меньше с.

Распады ядерных частиц на другие частицы должны происходить за времена порядка если они обусловлены сильными (ядерны-ми) взаимодействиями. [Точное значение времени жизни зависит от многих факторов. Однако сейчас считается общепризнанным утверждение, что ядерная частица, живущая , распадается не в результате сильного взаимодействия (вряд ли какие-нибудь факторы способны объяснить различие между Если бы такое событие было одиночным, то получающееся длительное время жизни можно было бы приписать случайности; однако такие события наблюдаются сплошь и рядом.] Поведение этих новых объектов (их частое появление и длительное время жизни) выглядит весьма странным. Это

слово прижилось, и теперь мы имеем странные частицы и новое квантовое число, характеризующее странность.

Фиг. 314.

Почему, например, -частица, возникающая при ядерных взаимодействиях, не распадается точно таким же образом (и не живет при этом всего т. е. недостаточно долго, чтобы оставить сантиметровый след, фиг. 314)?

Фиг. 315.

Ведь в процессе (фиг. 315) как возбуждение атома, так и его распад характеризуются одной и той же константой связи

Пайс и Намбу первыми предположили, что -частица рождается не одна, а вместе со своим «младшим братом» (фиг. 316). Рождение (суммарное)

Фиг. 316.

происходит как сильное взаимодействие, но разделенное на две части; распад же осуществляется как слабое взаимодействие. Так возникла идея ассоциативного рождения, которая потребовала введения нового квантового числа, характеризующего эти частицы. Это предположение подтвердилось, когда вскоре обнаружили, что рождение -частицы всегда сопровождается появлением еще одной новой и не менее странной частицы (фото 23, фиг. 317).

Теперь можно было выдвинуть следующее предположение. Представим, что при сильных взаимодействиях сохраняется какая-то новая величина (обозначим ее через Значение для -частицы равно — 1, для ее «младшего брата» а для всех «обычных» частиц — -мезонов или нуклонов — ее значение равно нулю. Тогда взаимодействие

должно быть сильным, так как здесь величина сохраняется для и для «младший брат»)]. В то же время взаимодействие

не может быть сильным, так как величина в нем не остается неизменной.

Если предположить, что при сильных (ядерных) взаимодействиях сохраняется, а при слабых взаимодействиях (распадах) не сохраняется (симметрия слабых взаимодействий отличается от симметрии сильных взаимодействий), то можно понять быстрое рождение таких частиц и их медленный распад.

Фиг. 317. Расшифровка события на фото 23.

Это новое квантовое число (называемое странностью) связано, согласно теории Гелл-Манна и Нишижимы, с зарядовыми свойствами новых частиц, о чем будет говориться в следующей главе.

(кликните для просмотра скана)