Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Таким образом, семейство слабо взаимодействующих частиц включало в себя пары ( μ +, μ -), ( е +, е - ), ( ν μ, ͞ ν μ ), ( ν е, ͞ ν е ) — их всех назвали лептонами (от греческого и еврейского — мелкая монета, мелочь, ср. русскую идиому «внести свою лепту»). Название это прижилось, хотя оказалось не очень удачным.

В 1975 г. Мартин Перл (р. 1929, Нобелевская премия 1995 г.) открыл — при изучении на коллайдере столкновений высокоэнергичных пучков электронов и позитронов — еще один лептон, названный тритоном (от греческого — третий) или τ -лептоном. Как будто в насмешку над родовым именем «лептон», масса его оказалась примерно вдвое больше массы протона или нейтрона, но свойства были того же типа, как у электронов или мюонов: его рождение или распад всегда связаны с появлением специфического, только ему сопутствующего тау-нейтрино. Если среднее время жизни мюона — порядка двух миллионных секунды, то тау-лептон распадается в миллиард раз быстрее, но зато, так как у него большая масса, он может распадаться многими разными путями.

Неизвестно также, могут ли существовать и другие типы лептонов. Дело в том, что еще одно двухкомпонентное уравнение предлагал в 1937 г. Этторе Майорана (1906–1938, гениальный, по-видимому, физик, сотрудник Ферми, причины исчезновения которого остаются неизвестными). В его теории частицы и античастицы должны быть тождественными — эти майорановские лептоны тоже ищут, но пока безрезультатно. (Опять физики берут на вооружение старый принцип демократии: все, что не запрещено, — разрешено, а запретов на существование таких частиц тоже нет.)

А вот есть ли у этих нейтрино, мюоного и тау-лептонного, масса или нет — вопрос до сих пор нерешенный: из измерений следует пока только, что у ν μ масса не может превышать одной десятой массы электрона, а у ν τ она не больше, чем масса сорока электронов. Лептоны подразделяются, очевидно, на три семейства: электронное ( е, ν е ), мюонное ( μ, ν μ ) и тау ( τ, ν τ) — и для каждого из них есть свой закон сохранения, есть, иными словами, три вида лептонных «зарядов» (впервые, по-видимому, понятие лептонного заряда ввел Я. Б. Зельдович еще в 1952 г.). А вот являются эти законы сохранения абсолютными, или возможны переходы одного типа нейтрино в другой — это точно не известно, хотя астрономические данные говорят, как будто, в пользу возможности таких переходов.

Можно ли говорить о том, как устроены внутри элементарные частицы? Это, казалось бы, бессмысленно, потому что, если у них есть внутренняя структура, то их можно будет разбить на более простые части.

Но с другой стороны, представлять их точечными образованиями тоже не удается. И фактически, первый пример тому дало изучение свойств нейтрона. У нейтрона нет электрического заряда, но есть, однако, магнитный момент, а он, мы знаем, эквивалентен наличию электрического тока. Отсюда следует, что нейтрон должен какое-то время пребывать в виде двух заряженных частиц, вращающихся вокруг общего центра, а потому эквивалентных току. И Э. Ферми вскоре после открытия пионов подсчитал, что нейтрон должен примерно 20 % времени проводить в виде системы «протон + пи-минус-мезон» ( п ↔ π - р) — возможность возникновения такой системы определяется принципом неопределенности Гейзенберга, по которому, напомним, частица может на какое-то время «одалживать» часть своей энергии (массы) другой, только бы произведение этой энергии на время отдачи не превышало величины постоянной Планка.

Но тогда и протон может часть своего времени проводить как «нейтрон + пи-плюс-мезон» ( р ↔ π + n , возможны и переходы р ↔ π 0 р — «протон + пи-ноль-мезон»). А дальше естественно заключить, что на какую-то меньшую часть времени и, соответственно, на более близком к центру расстоянии нейтрон может породить не один, а два, три и т. д. пионов, а может, скажем, породить на еще меньшее время пару протон-антипротон и т. д. Все такие «временные» частицы называются виртуальными (от латинского «виртуалис» — скрытые, но могущие проявиться) и, как видим на примере магнитных моментов нейтрона, их свойства весьма ясно проявляются и могут быть, в принципе, измерены.

Все эти возникающие и снова исчезающие виртуальные частицы образуют вокруг своего «хозяина» некую виртуальную «шубу». Поэтому основную рассматриваемую частицу никак, с одной стороны, нельзя считать точечной, а с другой стороны, ей нельзя приписывать и строго определенные размеры: ее «шуба» все время дышит, меняется, является динамическим образованием. Приходится для описания свойств этой «шубы», т. е. самой частицы, вводить понятие формфактора, распределения вероятности найти заряды на таком-то расстоянии от ее центра.

Тут естественно было бы задать вопрос: почему мы говорим о виртуальных образованиях вокруг нуклонов, чем электрон хуже? И действительно, вокруг электрона тоже должна образовываться такая шуба, но поскольку его масса мала, то испускать и ловить обратно он скорее всего будет не мезоны, а фотоны, а на меньшие расстояния — и пары электрон-позитрон. О такой шубе электрона мы уже говорили — благодаря ее наличию и возникает черенковское излучение: шуба периодически отрывается от «сверхсветового» в данной среде электрона и превращается в реальный фотон.

Форму форм-факторов нуклонов экспериментально смог определить Роберт Хофштадтер (1915–1990, Нобелевская премия 1961 г.) [41] Его сын, Д. Хофштадтер, автор культовой книги «Гёдель, Эшер, Бах: эта бесконечная гирлянда» (Хофштадтер Д. Гёдель, Эшер, Бах: эта бесконечная гирлянда. Бахрах-М, 2001), пытается синтезировать миропонимание науки и искусства. . Начал он с того, что еще в 1948 г. разработал сцинтилляционный детектор на основе кристалла соли иодида натрия, «легированного» небольшим количеством таллия. При столкновении с таким кристаллом частицы высокой энергии или фотона возникает вспышка света, интенсивность которой пропорциональна энергии частиц или фотона (сцинтилляторами пользовался некогда и Резерфорд, но они были гораздо менее чувствительными). На этой основе Хофштадтер построил сцинтилляционный спектрометр и приспособил его как регистратор углов рассеяния электронов от ускорителя, разгонявшего их до энергии в 500 МэВ, при которой длина волны электрона меньше характерных размеров атомных ядер. Следовательно, ускоритель можно было бы использовать как гигантский электронный микроскоп, позволяющий исследовать структуру ядер: при столкновении с ядром разогнанный электрон в некоторых случаях только отклоняется, как бильярдный шар (случаи, при которых ядро разрушалось, он отбрасывал).