Олег Фейгин - PRO парадоксы науки

Стивен Вайнберг, один из главных теоретиков фундаментальной стабильности атомной материи

Вообще говоря, закон сохранения энергии-массы требует, чтоб энергия и масса распадающихся микрочастиц была несколько больше суммарной массы продуктов распада, поскольку часть вещества неминуемо превратится в кинетическую энергию. Поэтому при анализе степени стабильности той или иной элементарной частицы надо прежде всего учитывать, на какие микрочастичные компоненты она могла бы разделиться в процессе самопроизвольного распада.

С момента открытия радиоактивности физиков занимает интересный вопрос: а почему мы не наблюдаем вокруг повсеместных актов распада материальных тел?

Эта задача подробно дискутировалась в тридцатых годах прошлого столетия, еще до открытия таких важных компонентов микрочастичных превращений, как позитроны, мезоны и мюоны. Однако уже тогда стабильность материи представлялась как одна из самых непонятных загадок природы, ведь по идее такой нуклон, как протон, всегда может поглотить один из орбитальных электронов, превратив атом водорода в поток квантов электромагнитного излучения. Это дает весьма устрашающую картину, ведь водород – основа вещественной части Вселенной!

Надо сказать, что экспериментальные данные, полученные физиками-элементарщиками, показывают, что любой микрочастичный распад в природе может происходить самопроизвольно, если только этому не препятствует тот или иной принцип сохранения. Тут надо заметить, что в самом общем виде любой закон сохранения устанавливает неизменность суммарного количества некоторых величин, таких как электрический заряд, момент импульса или энергия. Для распада элементарных частиц это означает, что в любом случае он будет иметь вид череды излучений и поглощений частиц в полном соответствии с законами сохранения. Именно поэтому сам по себе вопрос стабильности микрочастиц сводится к проблеме соответствия некоторым фундаментальным принципам сохранения.

Один из сюрпризов, преподнесенных нам физикой частиц во второй половине двадцатого века, состоит в том, что протон, оказывается, не вечен. Протоны, считавшиеся стабильными и бесконечно долго живущими частицами, как оказалось, по истечении достаточно долгого времени могут распасться на более мелкие частицы. В сущности, протонам свойственна экзотическая разновидность радиоактивности. Они излучают более мелкие частицы и превращаются в нечто новое. Этот процесс распада займет время, значительно превышающее современный возраст Вселенной, время жизни звезд и даже намного больше жизни галактик. Получается, что по сравнению с вечностью протоны исчезнут довольно скоро.

Распад протонов может пойти по множеству разных путей, вследствие чего получится много разных продуктов этого распада, таких как позитроны и нейтральные пионы, соответственно, распадающиеся на кванты электромагнитного излучения. Возможно и множество иных вариантов распада, но чаще всего физики обсуждают именно такие пути распада протонов, когда возникают крайне нестабильные электронейтральные пионы, тут же превращающиеся в фотоны. Теоретически вместе с протоном должны распасться и вторые нуклоны – нейтроны, которые в связанном ядерном состоянии должны существовать очень долго. Между тем в свободном состоянии нейтроны живут всего около десяти минут, распадаясь на протон, электрон и антипартнер нейтрино – антинейтрино.

Сегодня физики-теоретики расходятся в оценке сроков жизни связанных нуклонов. Одно время можно было встретить предсказание о том, что большинство протонов распадется примерно через тридцать так называемых космологических декад – 1030 лет. Число очень большое, ведь даже переведенное в миллиардолетия, оно содержит более двадцати нулей. Однако в последний период превалирует точка зрения, возникшая из ряда экспериментов с элементарными частицами, разгоняемыми до гигантских энергий на ускорителях: время жизни протона может даже превысить тридцать две космологические декады.

Если принять во внимание возраст нашего мира в 13,7 миллиардолетия, то сама мысль об экспериментальной проверке времени жизни микрочастиц, оцениваемой в десятки космологических декад может показаться очень странной. Однако тут определенные надежды дает теория радиоактивного распада, согласно которой все элементарные частицы, включая и протоны, не живут в течение какого-то строго определенного времени, по прошествии которого все они одновременно распадаются.

На самом фундаментальном уровне многие физические теории имеют неотъемлемый закон, запрещающий распад протонов, даже несмотря на то что в результате этого распада они могли бы перейти в состояние с более низкой энергией. Кратко этот закон можно сформулировать так: барионное число всегда сохраняется. Протоны и нейтроны состоят из обычного вещества, которое мы зовем барионным. Каждый протон или нейтрон содержит одну единицу барионного числа. Частицы типа электронов и позитронов имеют нулевое барионное число, равно как и фотоны, частицы света. Таким образом, если протон распадается на позитроны, в этом процессе происходит потеря барионного числа.

Долгое время предполагалось, что всеобщая стабильность атомарных образований объясняется существованием электрической биполярности, когда аннигиляция зарядов протона и электрона нарушила бы общий зарядовый баланс. Впоследствии данные идеи были развиты в концепцию «барионного числа», которое так же, как и энергия с электрическим зарядом, должно сохраняться в любых превращениях микрочастиц. Уточним, что барионами считают обширное семейство микрочастиц, включающее вместе с протоном такие «тяжелые» частицы (по-гречески тяжесть – «барис»), как нейтрон и нестабильные микрочастицы гипероны. Условно считается, что все барионы обладают барионным числом «+1». В любой атомарной структуре барионное число составляет общую сумму всех барионных чисел «комплектующих» микрочастиц. Следовательно, распад протона был бы переходом от единичного барионного числа к нулевому ансамбля каких-нибудь легких частиц, что категорически запрещено барионным принципом сохранения.