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

Однако все попытки так же сгруппировать странные частицы не удавались. Пришлось предположить, что средний электрический заряд мультиплетов их барионов отличается от ½ (среднего заряда нуклонов), а средний заряд К-мезонов равен, в отличие от среднего заряда пионов, не нулю, а — ½, и эти отличия могут быть фундаментальным свойством странных частиц. Странностью как раз и назвали разность между средним зарядом мультиплета и средним зарядом нуклонов +½ (чтобы не возиться с дробями эту разность умножают на 2). Было показано, что странность сохраняется во всех реакциях с сильным и с электромагнитным взаимодействиями, поэтому странные частицы рождаются парами — странность одной частицы компенсирует странность другой (если одна частица в паре имеет странность +1, то странность другой равна -1). Таким образом, странные частицы, родившись, выживают вплоть до распада, определяемого слабым взаимодействием, которое не сохраняет странность.

В 1961 г. Мюррей Гелл-Манн и Ювал Неэман независимо обнаруживают, что эта система мультиплетов, предложенная для описания странных частиц, может быть включена в гораздо более общую теоретическую схему, позволяющую сгруппировать все сильно взаимодействующие частицы в «семейства». Эту схему Гелл-Манн, поклонник Востока, назвал восьмеричным путем (по аналогии с восемью атрибутами праведного жития в буддизме), так как некоторые частицы были сгруппированы в семейства из восьми членов (в науке она называется, по правилам алгебры, SU (З) — симметрией [44] Математически такие схемы означают, что характеристики частиц и их систем рассматриваются в некотором специфическом «пространстве» дискретных величин, часто называемом изотопическим (к изотопам оно отношения не имеет). В данном случае берется трехмерное пространство, но можно рассматривать и другие варианты. ).

Схему Гелл-Манна-Неэмана можно сравнить с Периодической системой Менделеева, поскольку она не только упорядочила известные частицы, но и предсказала свойства неизвестных еще частиц. Теория эта была подтверждена в 1964 г. открытием синглета, предсказанной частицы — омега-минус-гиперона (Ω -).

Ювал Неэман (1926–2006) окончил инженерный факультет, с 15 лет в подпольных вооруженных формированиях, с начала Войны за независимость Израиля в 1948 г. в армии, непосредственно в боевых частях. Несмотря на блестящие перспективы службы (с 1952 г. начальник отдела стратегического планирования Генштаба), переходит на должность военного атташе посольства Израиля в Лондоне, параллельно в 1958 г. поступает на физический факультет Лондонского университета (самый старый студент!) и за три года, с военными перерывами, заканчивает его. Кроме теоретических исследований организовал ядерный центр Израиля, был также министром науки.

Согласно этой модели, у лямбда- и сигма-гиперонов странность S = -1, поэтому они рождаются в паре с одним К-мезоном (у которых странность S = 1). У кси-гиперонов (они образуют дублет) странность S = -2, и их рождение сопровождается появлением двух К-мезонов, а вот у омега-гиперона (синглет, хоть и заряженный) странность S = -3, поэтому он рождается только вместе с тремя К-мезонами. Очевидно также, что поскольку при распаде частиц странность должна меняться на единицу, то кси-гипероны распадаются на лямбда-или сигма-частицы и пионы, а затем те уже распадаются дальше. Ну а омега-гиперон должен претерпеть цепочку трех последовательных распадов с изменениями странности в каждом из них на единицу.

Мы уже не раз говорили о том, что масса связанной системы меньше суммы масс составляющих частиц в свободном состоянии, а возникающий дефект масс соответствует, согласно формуле Эйнштейна, энергии связи частиц. При образовании химических соединений или планетных систем дефекты масс столь малы, что практически не измеримы. В ядрах атомов энергия связи нуклонов уже составляет до полупроцента их массы, и именно поэтому изменение величины этого дефекта масс является источником получения атомной (точнее, ядерной) энергии.

Но, вообще говоря, нет никаких ограничений на величину дефекта масс — в принципе, он может составлять и большую часть массы. Вот такую идею и ввели в 1949 г. Ферми и Янг для представления пионов как составных систем.

Они предложили рассматривать пи-плюс-мезон как тесно связанную систему из протона и антинейтрона с противоположно направленными спинами: π += ( p +͞ n) и соответственно π _= ( n +͞ p ), при этом пи-ноль-мезон половину времени проводит как система протон-анти-протон, а вторую половину — как нейтрон-антинейтрон. Если такая система нечетная, то она соответствует π 0, а если комбинация четная, то другой частице, также позже обнаруженной. Дефект масс при образовании пионов составляет 13/14 полной массы двух нуклонов, но ничего невозможного такой дефект масс собой не представляет — зато сразу становится на три частицы меньше!

К тому же нуклон-антинуклон могут составлять и другие системы, например, со спинами, направленными в одну сторону, — в этом случае они образуют семейство так называемых ро-мезонов; можно рассматривать системы нуклон-антинуклон с высшими моментами и т. д. Такого рода «частицы» имеют очень короткие времена жизни, и их обычно называют нуклонными или мезонными резонансами или резононами, в принципе, для них можно установить некое подобие системы возбужденных состояний атомов в модели Бора.

Модель Ферми-Янга выглядела очень заманчивой — существенно уменьшался список основных «кирпичиков» мироздания. Поэтому с открытием новых частиц естественным выглядело распространить на них схожие представления.

Первым в этом направлении был Сенти Саката (1911–1970): он показал, что если помимо нуклонов принять за основную частицу лямбда-гиперон, то можно построить все остальные странные частицы (1956). Так К +-мезон составляется из протона и анти-лямбда, К --мезон составляется из лямбда-гиперона и антипротона, сигма-гипероны — из лямбда и пионов. Было создано еще несколько подобных моделей, в которых к нуклонам добавлялась та или иная странная частица, и в конце концов стало ясно, что достаточно принять в качестве основной любую из них, — никаких особых преимуществ ни одна из частных моделей не имела — наступившее положение назвали «ядерной демократией» (автор также принимал участие в этих поисках).

Казалось, что явление ядерной демократии полностью обесценило возможность выбора тех частиц, которые можно принять за основные. И тут возникла совершенна новая, поистине «сумасшедшая» идея: а почему этот поиск идет только среди уже найденных частиц, может быть, нужно придумать новые частицы, которые единственным, точнее, самым простейшим образом (это основное требование!) позволят построить составные модели всех остальных?