Бег за бесконечностью
Шрифт:
Прежде всего следует выяснить, не существует ли уважительной причины столь неуважительного отношения резонансов к традициям физической лаборатории. Среди частиц имеются различия не только по массам, но и по временам жизни. Из известных частиц абсолютно стабильны только четыре фотон, нейтрино, электрон и протон, которые в вакууме могут существовать сколь угодно долго. Остальные хозяева микромира — все мезоны и барионы, начиная с нейтрона, — в вакууме непременно распадаются. Время жизни нестабильных частиц весьма различно: например, у нейтрона оно превышает 15 минут, а заряженные пи-мезоны живут всего 2,6.10– 8 секунды. Конечно, по нашим масштабам это невероятно маленький срок, но за такое время, двигаясь с околосветовой скоростью, пион успевает пролететь около 7,5 метра,
Чем слабей взаимодействие, вызывающее распад, тем медленнее он происходит. Как мы помним, квантовая теория позволяет рассчитывать лишь вероятностные характеристики процессов. В данном случае обычно вычисляется вероятность перехода (например, пи-мезона в мюон и нейтрино) в единицу времени, а собственно временем жизни называется величина, обратная вероятности перехода. Понятно, что за счет слабых взаимодействий вероятности перехода получаются существенно меньшие, а, следовательно, и время жизни таких частиц большее. Скажем, родной брат заряженных пионов пи-ноль-мезон — может распадаться на два фотона только за счет электромагнитных взаимодействий, которые намного «сильнее слабых», и поэтому он живет недолго, в среднем 0,8.10–16 секунды.
Но по сравнению с резонансами и пи-ноль-мезон великий долгожитель. Если мы договоримся принять его краткий срок существования, его век жизни, за год, то в таком «микрокалендаре» резонанс живет всего несколько секунд, тогда как, например, мюон — около 20 миллиардов лет (примерно столько, сколько существует наблюдаемый участок вселенной в обычных годах)! В нормальной же шкале «ро» имеет время жизни порядка 10–23 секунды, и мюон — 2,2.10– б секунды, то есть резонанс должен распадаться на пионы за счет сильных взаимодействий. В этом его основная особенность. За столь малое время «ро» успевает пройти лишь микроскопическое расстояние порядка 10–13 сантиметра и, разумеется, не успевает оставить заметный макроскопический след. Поэтому его появление регистрируется не обычным путем, а особым образом.
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
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