56. ПЕРВОМАТЕРИЯ

Поток сведений и невыясненных вопросов, относящихся к новым «частицам», привел к такому росту активности ученых, что основной проблемой всей физики стала проблема элементарных частиц. Суть этой проблемы состоит в выяснении того, почему некоторые комбинации свойств (спин, масса, заряд и т. д.) могут существовать вместе в течение продолжительных промежутков времени, а другие комбинации не могут; почему они взаимодействуют и распадаются именно так, а не иначе; почему различным взаимодействиям свойственна различная симметрия и т. д. К этим вопросам тотчас же добавляются и другие: имеется ли какая-либо взаимосвязь между вопросами,

поставленными выше; можно ли на них ответить традиционным способом; можно ли найти ответы на эти вопросы в рамках квантовой физики?

Аналогия между различными состояниями частиц и их распадами и атомными состояниями и их распадами не осталась незамеченной. Было выдвинуто предположение, что различные «частицы» — это состояния какой-то фундаментальной системы, которая допускает переход из одного состояния в другое, подобно тому как различные уровни водородного атома представляют собой возбужденные состояния электрон-протонной системы, в которой переходы с одного уровня на другой происходят с излучением фотонов (фиг. 329).

Фиг. 329. Барионный «октет» и некоторые из наблюдаемых переходов из одного состояния в другое. Распад фотон происходит чрезвычайно быстро, остальные — относительно медленно.

Говоря об атоме водорода, мы имеем в виду, что бесчисленное количество различных уровней, характеризующихся квантовыми числами

интерпретируется как набор возбужденных состояний электрон-протонной системы. Возможно, что процесс излучения света при атомном переходе, который, скажем, имеет вид

в принципе ничем не отличается от перехода

Спрашивается тогда, можно ли рассматривать весь набор «частиц» (барионов и мезонов со всеми возможными значениями спина, заряда и массы) как различные уровни одной или нескольких «фундаментальных» систем. Совсем недавно такой подход неожиданно получил чрезвычайно обещающее (возможно, даже революционное) развитие.

Теоретические попытки классификации новых частиц часто сводились ранее к попыткам угадать симметрию взаимодействий, ответственных за поведение частиц, исходя из данных наблюдений их структуры вырождения.

Фиг. 330. Значок отмечает частицы, составляющие бар ионный октет: протон, нейтрон, всех этих частиц спин равен 1/2. Значок О отмечает частицы со спином 3/2, образующие декуплет. Употребление одних и тех же греческих букв (скажем, и означает, что такие частицы обладают одинаковыми гиперзарядами.

Рассуждения при этом таковы. Допустим, что мы не знаем характера кулоновской силы, действующей между электроном и протоном, однако нам известна структура вырождения уровней атома водорода или других атомов, соответствующая различным значениям углового момента:

На основании этих сведений можно было бы догадаться, что эквипотенциальные поверхности кулоновской силы — сферы, а сама сила, действующая между электроном и протоном, инвариантна относительно поворотов. В случае атома водорода такой анализ

представляет собой просто упражнение на повторение, в случае же новых частиц он может раскрыть свойства симметрии соответствующих взаимодействий, если мы даже не знаем их природу и не умеем вычислять эффекты этих взаимодействий.

В последние годы основное внимание было направлено на изучение состояний, соответствующих барионам и мезонам. В частности, среди барионов с наименьшей энергией можно выделить группу из восьми частиц со спином а выше по энергии — другую группу из десяти частиц со спином 3/2 (фиг. 330). Требуется, конечно, богатое воображение, чтобы назвать восемь уровней со спином вырожденными, когда эти уровни разделены между собой энергией порядка 400 МэВ и когда между ними располагаются уровни, принадлежащие другой вырожденной группе.

Фиг. 331. Расщепление -уровней в очень сильном магнитном поле.

Тем не менее это возможно. Например, можно считать, что эти уровни были бы действительно вырожденными, если бы отсутствовало взаимодействие (по предположению, менее сильное, чем основное взаимодействие), обладающее иной симметрией и потому расщепляющее вырожденные уровни. Для атома водорода (мы всегда будем ссылаться на атом водорода, так как мы знаем его строение) точно такая картина наблюдалась бы в том случае, если бы внешнее магнитное поле каким-то образом включалось в основное взаимодействие между электроном и протоном и было очень сильным (фиг. 331). На основании таких рассуждений, относящихся также к гиперонам и мезонам, Гелл-Манн и Нееман предположили, что внутренней симметрией является симметрия относительно перестановок трех объектов, которые не различаются между собой даже при самых сильных взаимодействиях. Такая симметрия приводит к следующим группам вырожденных уровней: восемь барионов были отождествлены с одной из этих групп, а восемь мезонов — с другой.

В случае двух одинаковых объектов (надписи 1 и 2 видны только нам), неразличимых при взаимодействиях, получаются четыре состояния с одинаковой энергией (фиг. 332). Для удобства их можно расположить (используя принцип суперпозиции) так, как показано на фиг. 333. Иными словами,

Три одинаковых объекта дают 27 состояний с одинаковой энергией (фиг. 334). Эти состояния можно сгруппировать так же, как

и в предыдущем случае:

Фиг. 332.

Фиг. 333.

Фиг. 334.

В частности, набор уровней, расположенный выше тех, что соответствуют восьми барионам со спином (короткоживущие уровни со спином 3/2, девять из которых были известны в то время), был интуитивно отождествлен с десятикратно вырожденным состоянием системы (фиг. 335). Десятый член этого набора, названный заранее

Фиг. 335. а) Октет барионов со спином ; б) декуплет барионов со спином 3/2; частицы здесь расклассифицированы с помощью и Одними и теми же греческими буквами обозначены частицы с одинаковыми гиперзарядами.

-частицей, должен был обладать на основании предсказанных значений массы и гиперзаряда относительно продолжительным временем жизни (порядка с). Таким образом, девять из десяти членов декуплета были известны, и можно было надеяться, что десятый элемент этой монады будет обнаружен, если попытаться его найти.

Фиг. 336. Расшифровка события на фото 26,

Интенсивные поиски предсказанной частицы успешно завершились в 1964 г. (фото 26, фиг. 336); на большее не мог бы рассчитывать и сам Пифагор.

Предсказанные параметры -частицы были такими: масса 1676 МэВ, гиперзаряд —2, изотопический спин 0; значит, должна была быть синглетной частицей с зарядовым квантовым числом

дающим заряд/равный . Так как ее гиперзаряд а гиперзаряды всех барионов, обладающих меньшими массами, равны + 0 или при распаде -частицы гиперзаряд и энергия не могут сохраняться одновременно. Рассмотрим в качестве примера наиболее предпочтительный распад, в котором гиперзаряд сохраняется (распад на барион с наименьшей массой и гиперзарядом —1):

Поскольку масса конечных продуктов распада больше массы -частицы, такой распад невозможен. (Дело в том, что не существует мезона с гиперзарядом —1, масса которого была бы меньше массы

Фиг. 337. Декуплет частиц со спином 3/2; указана зависимость массы от а-компоненты изотопического спина.

Поэтому, если -частица распадается, то гиперзаряд при этом сохраняться не будет, т. е. -частица должна распадаться посредством слабых взаимодействий. Следовательно, время жизни этой частицы должно быть сравнительно большим.

После открытия -частицы теоретические работы посыпались как из рога изобилия; наибольший интерес вызывал вопрос о том, каковы эти три объекта (субнуклоны), из комбинаций которых получаются мезонные и барионные системы. Из всех многочисленных предложений, вероятно, наиболее поразительным и в то же время наиболее экономичным и успешным было выдвинутое Цвейгом и тем же Гелл-Манном. В табл. 11 выписаны основные параметры трех фундаментальных объектов (массы их неизвестны), названных Цвейгом тузами и Гелл-Манном кваркамих). Эти объекты действительно выглядят

Таблица 11

необычно. Все известные до сих пор частицы обладали целыми зарядовым и барионным квантовыми числами. Однако, чтобы получить требуемую структуру вырождения (октеты, декуплеты), необходимо иметь три объекта с одинаковыми барионными числами. А так как в сумме эти числа должны давать единицу, каждое из них равно 1/3, что дает для зарядового числа значения Но это означает, что предложенные объекты не похожи ни на одну из известных до сих пор частиц, а возможно, и ни на одну из частиц, которые будут открыты в будущем. Кварк с наименьшей массой и соответствующий ему антикварк должны быть столь же устойчивыми, как и протоны, так как они не могут распасться, сохранив при этом барионное число или заряд.

Обозначим два из трех кварков кружками, а третий кварк квадратиком. Тогда барионный октет (со спином 112) комбинируется из кварков таким образом:

а барионный декуплет (со спином 3/2) — следующим образом:

Некоторые комбинации кварков являются запрещенными. Например, при значение как Следовательно, если схема верна, то барионный синглет с существовать не должен. До сих пор такой синглет на опыте не наблюдался.

Восемь псевдоскалярных мезонов с нулевыми спинами комбинируются из пар кварк — антикварк, так что их барионное число обращается в нуль:

Различные свойства систем кварков, вычисленные на основании удивитеотно простых предположений, хорошо согласуются с данными наблюдений. Например, если допустить, что масс кварка с больше чем масса остальных двух кварков с

то массы соседних гиперонов, входящих в декуплет со спином 3/2, должны различаться на величину 6, иными словами, энергия уровней должна быть пропорциональна величине гиперзаряда. В табл. 12 (взята из [2]) приведены экспериментальные значения масс некоторых из этих гиперонов.

Таблица 12

Если ввести простейшие предположения относительно динамики кварков и характера их взаимодействия друг с другом, то получающиеся следствия, такие как времена жизни и магнитные моменты барионов и мезонов, оказываются качественно согласующимися. Возможно, что эти качественные совпадения, вытекающие из простейших предположений относительно свойств таинственных объектов — кварков, являются случайными, но, может быть, они возвещают о начале той революции, которую давно ждут физики и приходу которой они вместе с тем противятся.

Если кварки «реально» существуют, то кварк с наименьшей массой (допустим, дукварк) должен быть абсолютно стабильным в обычном веществе (он может лишь аннигилировать с q). Но это означает, что если кварки удастся когда-нибудь обнаружить или искусственно создать, то их можно будет хранить [скажем, в виде кваркового кислорода (фиг. 338)] в сосуде из обычного вещества.

Фиг. 338. Кварковый кислород.

Фиг. 339. Антикварковый водород.

Нет никаких видимых причин, почему молекула, изображенная на фиг. 338, не может находиться в обычной бутылке. (Будет ли кварковый кислород твердым, жидким или газообразным? Будет ли он реагировать со стенками сосуда?)

Точно такие же рассуждения применимы и к (заряд равен —2/3), иными словами, в другом сосуде мы могли бы хранить антикварковый водород (фиг. 339). Смешав содержимое обоих сосудов, мы могли бы получить реакцию

Нетрудно вообразить и другие практические применения кварков. Но, возможно, ситуация будет еще более интересной, если окажется, что кварков «реально» не существует. Спрашивается тогда, какой смысл заключен в трех несуществующих объектах, комбинации которых образуют все то, что существует? Ответ на этот вопрос (и, быть может, сам смысл вопроса) может оказаться чрезвычайно интересным.

Даже беглый просмотр научной периодики может дать представление о страстных дебатах по поводу того, что же следует делать дальше. Когда нащупывают истину, почти ничего нельзя принимать на веру. Безжалостный апрель приносит половодье новых идей, осень же хоронит устаревшие идеи. И с некоторой долей сожаления мы можем только сравнивать законченные пропорции механики Ньютона, изящные арки электродинамики Максвелла с той беспорядочной мастерской, какой является сейчас физика элементарных частиц: здесь колонна, тут незаконченный фриз и везде хаос битых и разбросанных камней.

Если вы хотите убедиться, что наука представляет собой нечто большее, чем простое собирание фактов, достаточно обратить внимание на те толстые тома данных, которые получают ежегодно только в физике элементарных частиц, и на ту готовность, с которой подхватывается и развивается любая новая идея (даже мнемоническое правило, облегчающее запоминание только некоторых цифр). И вы тогда поверите, что сами данные никому не приносят удовлетворения и не составляют

того, что мы называем наукой. «Ученый,— говорил Пуанкаре, — должен наводить порядок. Наука возводится при помощи фактов, как дом — при помощи кирпичей; однако набор фактов является наукой в такой же мере, как груда кирпичей являет собой дом».

Однако процесс упорядочения данных опыта вовсе не обладает той последовательностью, которая присуща искомым закономерностям; он содержит риск и опасности. Полагать, что в будущем нас не подстерегают никакие неожиданности, — это не только менее всего интересно, но и менее всего разумно. И если данные и гипотезы, составляющие развивающуюся физику (в настоящее время — физику элементарных частиц), подчас кажутся противоречивыми, расплывчатыми, рискованными или даже сенсационными, — все это, возможно, простят нам, как в свое время Тиндаль простил Фарадея:

«Пусть те, которые размышляют над его работами, попытаются понять, чем он занимается, и не будут примешивать его рассеянность к оценке его деятельности... Следует... всегда помнить, что он работает на самой границе нашего знания и что его мысли обитают «где-то в густом мраке», окружающем это знание» [3].

(см. скан)