Ирина Радунская - Безумные идеи

Странные частицы

Но не количество новых частиц удручало ученых. Против этого ничего нельзя было возразить. Здесь нужно было лишь радоваться. Плохо было то, что новые частицы не подчинялись существующим теориям. Особенно странной была их долговечность.

Расчеты показывали, что новые частицы должны были гибнуть почти сразу вслед за их рождением. Уравнения дозволяли им существовать лишь ничтожное время, которое даже трудно выразить словами, – это всего одна стотысячная от одной миллиардной части миллиардной доли секунды. А новые частицы жили несравненно дольше – целую миллиардную долю секунды или хотя бы десятую часть этой доли. Расхождение с теорией составляло 100 тысяч миллиардов раз, это было странно и непостижимо. За эту непредвиденную живучесть новые частицы получили наименование «странных» частиц.

Странные частицы! Что может быть более странным, чем это название? Но физики привыкли к тому, что словечки из лабораторного жаргона, удачные остроты, неожиданные сравнения надолго удерживались в лексиконе науки, а иногда и входили в него навсегда. В этом проявляется неполнота наших знаний о мире микрочастиц, быстрый темп развития этой области, не оставляющий времени для строгого выбора и шлифовки терминов и определений.

Почему странные частицы вопреки воле формул и уравнений жили дольше, чем следовало? Почему нарушали предсказания ученых?

И физики вновь и вновь перебирали в памяти уже известные факты, сопоставляли и сравнивали все, что знали о взаимодействиях частиц. Вот самые сильные взаимодействия. Они возникают между ядерными частицами – нуклонами. Они действуют на ничтожных расстояниях, удерживая протоны и нейтроны внутри ядра. Для краткости физики называют их просто сильными взаимодействиями. Характеристикой взаимодействий служит время, в течение которого они проявятся. Взаимодействия между нуклонами, описываемые уравнением Юкавы, осуществляются за ничтожное время. Именно это время теория и отводила для жизни странных частиц. Но странные частицы жили гораздо дольше, значит не эти силы распоряжаются их жизнью. Но какие же? Какие силы еще известны физикам?

Следующими по силе являются электромагнитные взаимодействия, описываемые уравнением Дирака, те, в которых участвуют электрические заряды частиц. Они ровно в 137 раз слабее сильных, и поэтому для их проявления требуется в 137 раз больше времени.

Несравненно более слабыми являются взаимодействия, приводящие к самопроизвольному распаду частиц, например к бета-распаду. Эти взаимодействия так и окрестили слабыми. Они в 100 тысяч миллиардов раз слабее сильных и длятся соответственно дольше.

Самыми слабыми из известных сейчас сил являются гравитационные силы. Они так слабы, что для сравнения с ними ядерные силы нужно четыре раза подряд уменьшить в миллиард раз и результат уменьшить еще в тысячу раз. При этом получается потрясающе малое число, в котором перед единицей стоит 39 нулей. Не удивительно, что в микромире эти силы совсем не играют роли. Они проявляются лишь в астрономических масштабах, где во взаимодействиях одновременно участвуют несметные скопища частиц.

Поэтому, размышляя о поведении странных частиц, ученые обратили особое внимание не на самые сильные и не на самые слабые силы, а на просто слабые, на те, которые в 100 тысяч миллиардов раз слабее сильных. И у них возникло предчувствие: не свидетельствует ли долгая жизнь странных частиц о том, что они гибнут (распадаются) не под влиянием ядерных сил, а в результате слабых взаимодействий?

Такая догадка могла показаться на первый взгляд просто проявлением невежества. Она заставляла отказаться от очевидных вещей, от привычной и установившейся точки зрения на взаимодействия частиц, А привычная точка зрения заключалась в том, что рождение и гибель каждой частицы связаны с процессами и силами родственного типа. А тут: рождаются при сильных взаимодействиях, а умирают при слабых? В это верилось с трудом. Но ведь речь шла о странных частицах... И никто толком не знал, что можно было от них ждать.

Так, еще ничего не зная о природе процессов распада странных частиц, зная лишь время их жизни, ученые наметили возможную причину их гибели – слабые взаимодействия.

Новые законы

Итак, в результате измерения времени жизни странных частиц удалось немного приоткрыть тайну их поведения. Рождаясь в результате сильных взаимодействий – при соударении протона, разогнанного в ускорителе или образовавшегося в ливне космических частиц, с частицами, образующими ядра свинца или другие ядра мишени, они самопроизвольно распадаются в результате слабых взаимодействий.

Почему же странные частицы не могут распасться тем же путем и так же быстро, как они рождаются? Экспериментаторы не могли ответить на этот вопрос, так как они наблюдали лишь конечные результаты и не могли проследить деталей процесса.

Теоретики размышляли над этим около двух лет; они передумали и перепробовали десятки схем и моделей и в результате вынуждены были прийти к удивительному предположению о том, что процессы с сильными взаимодействиями возможны лишь при участии не менее двух странных частиц. Как ни странно, в случае со странными частицами природа оказывалась столь щедра, что рождала их сразу кучей. И у нее уже не хватало «сил», чтобы «возиться» с ними дальше, не хватало энергии на обратный процесс, на их моментальное уничтожение. Родив двойню, тройню, она как бы бросала их на произвол судьбы, и те умирали сами по себе. «Фокус состоит в том, – констатирует физик, – что процесс с сильным взаимодействием такого рода не будет обратимым ввиду недостатка энергии».

Так возникло объяснение долговечности странных частиц (они живут до тех пор, пока не погибнут из-за слабых взаимодействий) и неожиданное предсказание: странные частицы не могут рождаться в одиночку. Они рождаются только группами.

Это предсказание вскоре блестяще подтвердилось. Мощные ускорители начали массовое производство странных частиц, и они всегда рождались не менее чем в парах.

Итак, природа запрещает странным частицам рождаться в одиночку. Но если природа что-нибудь запрещает, то запрет чаще всего формулируется в виде закона сохранения. Например, вечный двигатель невозможно создать в силу закона сохранения энергии или нельзя вытащить себя за волосы из болота в силу закона сохранения положения центра масс, который, в свою очередь, есть следствие закона сохранения импульса (подчиняясь этому закону, действуют и ракетные двигатели).

Может быть, за фактом совместного рождения странных частиц тоже стоит неизвестный еще закон сохранения? И он поможет предсказать свойства неизвестных еще частиц!