Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Точно так же распад положительного мюона будет выглядеть следующим образом:

μ+ → e+ + ν–μ + ν0e. (Уравнение 14.17)

В результате распада положительного мюона образуются позитрон, электрон-нейтрино и мюон-антинейтрино.

В ходе распада отрицательного или положительного мюона не происходит взаимной аннигиляции нейтрино и антинейтрино, так как они не являются античастицами. Взаимная аннигиляция приведет к нарушению законов сохранения электронного и мюонного чисел.

И электрон-нейтрино, и мюон-нейтрино являются безмассовыми незаряженными частицами со спином ½. До сих пор остается загадкой, чем же они отличаются друг от друга.

Были открыты и другие частицы, первая из которых была обнаружена в 1947 году. Все эти частицы, за исключением мюон-нейтрино (его существование не столько открыли, сколько осознали), являются тяжелыми нестабильными частицами и вступают в сильные взаимодействия.

Так, были открыты К-мезоны, или каоны, — целая группа частиц, масса которых в 996,5 раза больше массы электрона, то есть приблизительно равна среднему значению массы протона и пиона. Как и пионы, каоны имеют спин, равный 0, и являются бозонами, также существует положительный каон, являющийся частицей, и отрицательный, являющийся античастицей. Есть еще и чуть менее устойчивый — нейтральный каон, масса которого чуть ниже массы заряженного каона. Однако в отличие от пионов нейтральный каон не является собственной античастицей: существует нейтральный каон и нейтральный антикаон.

Были также открыты и более тяжелые, чем протоны и нейтроны, частицы. Все они делятся на три группы, получившие названия по трем буквам греческого алфавита: лямбда, сигма и кси.

В группе лямбда одна частица (нейтральная), в группе сигма — три частицы (положительная, отрицательная и нейтральная), и в группе кси — еще две частицы (отрицательная и нейтральная). У каждой частицы есть античастица. Масса частицы группы лямбда в 2182 раза больше массы электрона (то есть 1,18 от массы протона). Масса частиц группы сигма больше массы протона — примерно в 1,27 раза, а масса частиц группы кси еще больше массы протона — в 1,40 раза. Общее название всех этих частиц гипероны (от греческого «выше», так как их масса выше массы протона). Все гипероны являются фермионами.

Как и мюоны, которые могут замещать электроны внутри атома и образовывать мезоатомы, лямбда-гипероны могут замещать частицу внутри атомного ядра и образовывать короткоживущее гиперъядро.

В 1960-х годах было обнаружено несколько крайне короткоживущих частиц, период полураспада которых равнялся всего 10–23. Это — резонансные частицы. Пока неясно, являются ли они отдельными частицами. Возможно, это всего лишь кратковременные соединения двух и более частиц.

Огромное количество обнаруженных частиц привело физиков в замешательство, так как было очень сложно расположить их по порядку. Требовались новые законы поведения частиц.

Например, несмотря на то, что условия образования гиперонов свидетельствуют о том, что они являются частицами сильного взаимодействия, и несмотря на то, что продукты их распада также являются частицами сильного взаимодействия, тем не менее распад гиперона идет нехарактерно медленно. Распад, например, лямбда-гиперона можно представить в виде:

λ0 → p+ + π–, (Уравнение 14.18)

где λ (греческая заглавная «лямбда») обозначает лямбда-гиперон. В ходе этой реакции соблюдаются все известные законы сохранения. Сохраняется, например, спин, так как спин пиона равен 0. Сохраняется и барионное число, а гипероны являются барионами. (В данном случае пион не является членом ни одного из участвующих в реакции семейств частиц, числа которых сохраняются, поэтому он может совершенно свободно появляться и исчезать, не нарушая законов сохранения.) Так как по всем признакам описанное формулой 14.18 взаимодействие является сильным, оно должно происходить не более чем за 10–28 с (или около того). Однако взаимодействие длится в течение 2,5∙10–10 с, что в 10 трлн. раз дольше, чем должно быть, — невероятно долго по субатомным меркам.

Объяснение этому в 1953 году предложили независимо друг от друга два физика — американец Марри Гелл-Ман и японец Кацухико Нисидзима. Они предложили новую сохраняющуюся величину, которую Гелл-Ман назвал странность.

Странность всех членов электронной и мюонной семей, а также пионов, нуклонов и их античастиц равна 0. Все остальные частицы, странность которых не равна 0, имеют общее название «странные частицы». Странность каона равна +1; лямбда-гиперона и сигма-гиперона –1; а кси-гиперона –2. Их античастицы имеют конечно же противоположное значение числа странности.

Значения странности не были присвоены частицам произвольно, они вычислялись экспериментальным путем. Если странность исходной частицы равна нулю, то при ее распаде до частицы со странностью +1 обязательно должна образовываться и частица с числом странности –1. В этом случае странность сохраняется.

В описанном формулой 14.18 случае распада лямбда-гиперона (число странности -I) до протона (0) и пиона (0) странность не сохраняется, значит, такая реакция идти не может.

Однако закон сохранения странности распространяется только на сильные взаимодействия. Значит, распад лямбда-гиперона может иметь место, но только в результате слабого взаимодействия, для которого требуется гораздо больше времени. Поэтому, несмотря на все внешние признаки, формула 14.18 описывает все же слабое взаимодействие, что и объясняет долгий период полураспада лямбда-частицы.

Были обнаружены ограничения и у более старого закона сохранения четности.

Четность является величиной, которая сохраняется точно так же, как в мире цифр сохраняется четность/нечетность. Если четное число, например 8, представить в виде суммы двух меньших чисел, например 6 + 2 или 5 + 3, то оба этих числа будут либо четными, либо нечетными. Если в виде суммы двух меньших чисел представить нечетное число, например 7, то одно из них всегда будет четным, а второе — нечетным. Это же правило относится и к более сложным преобразованиям.

В 1956 году было обнаружено, что некоторые каоны распадаются на два пиона, а некоторые — на три. Так как пионам присвоена отрицательная четность, то два пиона являются четными, а три пиона — нечетными. Это означало, что существуют каоны с положительной четностью и каоны с отрицательной четностью.

Однако каоны отличались лишь способом распада, в то время как вес остальные их свойства были абсолютно идентичны. Изучая эту проблему, два китайских физика Ли Цзундао и Ян Чжэньнин с теоретической точки зрения объяснили, почему четность должна сохраняться лишь при сильных взаимодействиях, а при слабых ею можно пренебречь.

Существовала возможность проверить это. Уже в 1927 году Эуген Вигнер, изучив проблему, доказал, что сохранение четности означало отсутствие различий между левым и правым, или (что тоже самое) между ситуацией и ее зеркальным отражением. Этого можно достичь только в том случае, если все взаимодействия будут происходить симметрично в пространстве. Например, если ядро испускает электроны, оно должно испускать их во все стороны, чтобы зеркальное отражение было неотличимо от реальности. Если же электроны испускают преимущественно в одну сторону (скажем, влево), то при зеркальном отражении они будут испускаться преимущественно вправо, и реальность можно будет отличить от ее зеркального отражения.