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

Так Хофштадтеру удалось измерить величину и определить форму многих атомных ядер. Оказалось, что у них примерно одна и та же средняя плотность и объем ядра пропорционален полному числу протонов и нейтронов. Это означает, что в тяжелых ядрах частицы упакованы не более плотно, чем в легких, а почти постоянная плотность ядер оказалась порядка 150 млрд кг на куб. метр (капля воды такой плотности весила бы 2 млн тонн). Но при этом выяснилось, что у всех ядер есть что-то вроде более мягкой «шкуры», именно она и соответствует облаку виртуальных частиц, окружающих ядро.

Когда ускоритель, на котором он работал, был реконструирован и стал разгонять электроны до энергии в 1 ГэВ, Хофштадтер смог перейти к исследованию уже не только ядер, но и структуры протонов и нейтронов. Эту работу он со своей группой выполнил в 1956–1957 годах: были определены размеры такой «шубы» и распределение зарядов внутри обоих нуклонов.

Нуклоны действительно оказались распределенными динамическими образованиями с шубой из облаков виртуальных частиц.

Ну а что будет видно, если залезть в нуклоны еще глубже, т. е. рассмотреть рассеяние более энергичных частиц? В 1969 г. Р. Фейнман, и почти одновременно Дж. Бьеркен (р. 1934), выдвигают партонную (от латинского «партис» — часть) модель нуклона: при глубоконеупругих, т. е. высокоэнергичных и потому чрезвычайно коротких по времени актах рассеяния, нуклон можно рассматривать как совокупность точек-партонов, т. е. при таких энергиях и, соответственно, столь коротких длительностях взаимодействия уже не играет роли, виртуальные ли это образования или нет. Такие акты рассеяния на отдельных партонах (уже не на нуклонах в целом) порождают целые струи вторичных частиц, по составу которых, в принципе, и можно выявить природу самих этих партонов и их распределение по «объему» нуклона. Имеющиеся результаты как будто показывают, что таким партонами являются в основном кварки (о них немного ниже). За это открытие Джером И. Фридман (р. 1930), Генри У. Кендалл (1926–1999) и Ричард Е. Тэйлор (р. 1929) удостоены в 1990 г. Нобелевской премии.

Открытие пионов в 1947 г. произошло таким образом: на экспонированной фотопластинке видно, что некий трек превращается в другой, в известный уже след мюона (тот переходил вследствие распада в видимый след электрона). Таким образом, важно было отметить точку перехода одной частицы в другую: след, во-первых, шел под углом к начальному, а во-вторых, оказывался, если у нее меньше энергии, более толстым. По толщине следа определялась скорость частицы, по длине — время жизни, а если наблюдения шли в магнитном поле, в камере Вильсона, то по радиусу закругления можно было найти отношение скорости и массы.

И вот в 1947 г. К. Ч. Батлер и Дж. Д. Рочестер заметили в камере Вильсона очень странные и слишком длинные следы частиц космических лучей: время жизни нестабильных частиц, согласно принципу неопределенности, должно быть обратно пропорционально энергии, высвобождающейся при распаде частицы, а тут оно было в сотни миллионов раз больше — это уже очень серьезный вызов всей квантовой теории.

Наблюдаемые частицы оказались двух типов: частицы первого типа распадались на два-три пиона, т. е. они сами были бозонами, а частицы второго типа (найденные позже) превращались после испускания пиона в протон или нейтрон, т. е. они были фермионами. Частицы эти, постепенно открываемые во все большем многообразии, но каждая с определенной массой [42] Ажиотаж с поисками и обнаружением таких частиц был очень велик, а аппаратура была еще очень несовершенна, поэтому неизбежными были и промахи. Так, на станции космических лучей близ Еревана, которую возглавляли известные физики братья Абрам Исаакович Алиханов (1904–1970) и Артемий Исаакович Алиханьян (1908–1978), открыли, будто бы, новый тип частиц, варитроны, у которых вообще была переменная масса. , были названы, соответственно, К-мезонами и гиперонами (от греческого «гипер» — над, сверху).

При более детальном изучении оказалось, что существуют К +-и К --мезоны, а также К 0и К 0 (частица и античастица, хотя они и не подчиняются уравнению Дирака). Эти самые две частицы, К 0и анти-͞͞К 0, могут по пути следования переходить друг в друга, и именно на такой их странной смеси, их интерференции Кронин и Фитч, как мы писали выше, обнаружили сохранение СР- или Т-инвариантности.

Из гиперонов первоначально в 1951 г. был найден нейтральный лямбда-гиперон (Δ), затем в 1953–1954 гг. — несколько более тяжелое семейство сигма-гиперонов (Σ, плюс, минус и электрически нейтральный), и в 1956 г. — еще более тяжелые кси-минус- и кси-ноль-гипероны (Ξ -и Ξ 0, отметим сразу же, что положительного кси-гиперона не существует, точнее, положительный электрический заряд имеет анти-кси-минус-частица). Гипероны и нуклоны вместе называются барионами (от греческого «барос» — тяжелый), и у всех них одинаковый барионный заряд.

Первый шаг к теории этих новых частиц сделали в 1951 г. Йосиро Намбу (р. 1921, Нобелевская премия 2008 г.) с соавторами и Абрахам Пайс (р. 1918): они предположили, что странные частицы рождаются обязательно попарно — это фактически означало, что существует какая-то характеристика, положительная у одной частицы пары и отрицательная у другой, которые друг друга уравновешивают, но при последующем распаде эти характеристики пропадают, так как у обычных, нестранных частиц их нет. Таким образом, предполагалось, что есть такая странная квантовая характеристика, которая сохраняется в сильных взаимодействиях и не сохраняется в слабых взаимодействиях.

В 1953 г. эту характеристику уточнили независимо М. Гёлл-Манн [43] Мюррей Гелл-Манн (р. 1929. Нобелевская премия 1969 г.) — ученик и сотрудник Э. Ферми, один из ведущих теоретиков в этой области и в теории поля. Мы еще будем возвращаться к его достижениям, а сейчас отметим его высказывание, важное для нашей цели: «В генерации новых идей существуют три основных этапа. Первые два — это скрупулезная работа: накопление знаний, опыта и анализ этих данных. Третий этап наступает внезапно. Это озарение. Вот тут-то и рождаются гениальные идеи. Остается только не прогнать эти идеи и задать самому себе вопрос: „А почему бы нет?“». и К. Нишиджима (р. 1926) и назвали ее квантовым числом «странность».

Исходным пунктом для их теорий является понятие зарядовой независимости, впервые введенное Гейзенбергом еще в 1932 г.

Суть его состоит в такой группировке частиц, которая подчеркивает их сходство. Например, несмотря на то что протон и нейтрон отличаются электрическим зарядом (протон имеет заряд + 1, нейтрон — 0), во всех остальных отношениях они тождественны. Следовательно, их можно считать двумя разновидностями одного и того же типа частиц, дублетом нуклонов, имеющих средний заряд, или центр заряда, равный ½ Если таких частиц три (например, три пиона), то они образуют триплет со средним зарядом нуль, если одна частица — это синглет, а общее название группы, состоящей из любого числа частиц, — мультиплет.