Дао физики. Исследование параллелей между современной физикой и восточной философией - Фритьоф Капра

Рис. 63. Взаимные связи частиц

В результате исходный нейтрон оказывается частью сети взаимодействий, «сети переплетения событий», которые могут быть описаны с помощью S-матрицы. Взаимодействия внутри сети не могут быть определены точно, только вероятностно. Для каждой реакции характерна определенная вероятность, зависящая от энергии и других параметров реакции, и все вероятности определяются различными элементами S-матрицы.

При таком подходе мы можем дать динамическое описание структуры адрона.

Нейтрон в этой сети, например, может рассматриваться как связующее состояние протона и π—, из которых он образовался, а также связующее состояние Σ— и К+, которые образуются в результате его распада. Каждое из этих двух сочетаний адронов, как и многие другие, может образовать нейтрон, а следовательно, они могут быть названы компонентами нейтронной «структуры». Структура адрона понимается здесь не как некое соединение частей, а как набор разных частиц, которые могут участвовать в образовании адрона. Например, протон потенциально существует в качестве пары нейтрон-пион, каон-лямбда и т. д. Протон способен преобразовываться в любое сочетание этих частиц при наличии достаточного количества энергии. Склонность адрона к существованию в различных проявлениях выражается вероятностями соответствующих реакций, каждая из которых может рассматриваться как отдельный аспект внутренней структуры адрона.

Определяя структуру адрона как его возможность вступать в различные взаимодействия, теория S-матрицы придает понятию структуры динамический характер. Такая трактовка согласуется с экспериментальными данными. В ходе высокоэнергетических столкновений адроны всегда преобразуются в комбинации других адронов, поэтому можно утверждать, что они потенциально «состоят» из этих сочетаний. Каждая из образующихся при этом частиц будет подвергаться дальнейшим преобразованиям, создавая целую сеть событий, которую можно запечатлеть с помощью пузырьковой камеры. Примеры таких цепочек реакций изображены на рис. 64 и в главе 15.

Рис. 64. Сеть реакций с участием протонов, антипротонов, пары лямбда-антилямбда и нескольких пионов

Состав такой цепочки во время конкретного эксперимента определяется случайностью, но каждая сеть выстраивается по вполне определенным законам. Это уже упоминавшиеся законы сохранения, согласно которым могут происходить только такие реакции, в которых неизменен определенный набор квантовых чисел. Прежде всего константой для каждой реакции должно быть суммарное количество энергии. В ходе реакции могут возникать только те частицы, для образования массы которых достаточно задействованной энергии. Создаваемые частицы должны в совокупности обладать теми же квантовыми числами, что и частицы, изначальное участвовавшие во взаимодействии. Возьмем, например, взаимодействие протона и π—. Суммарный электрический заряд этих частиц равен 0. В результате столкновения они могут распасться и преобразоваться в нейтрон и π0, но не в нейтрон и π+, так как суммарный электрический заряд второго сочетания равен +1.

Следовательно, адронные реакции — поток энергии, в котором возникают и распадаются частицы. Но энергия может «течь» только по определенным «каналам», характеризуемым квантовыми числами, которые сохраняются во время сильных взаимодействий в качестве констант. В теории S-матрицы понятие канала реакции имеет более фундаментальное значение, чем понятие частицы. Оно определяется как набор квантовых чисел, присущий различным адронным сочетаниям, а зачастую и отдельным адронам. Какое именно сочетание адронов пройдет через тот или иной канал, определяется вероятностью, но зависит в первую очередь от имеющегося количества энергии. Диаграмма на рис. 65 показывает взаимодействие между протоном и К—, в ходе которого образуется нейтрон как промежуточное состояние.

Рис. 65. Взаимодействие протона и К—

Канал реакции состоит сначала из двух адронов, потом — из одного, а затем — снова из первоначальной пары адронов. При наличии большого количества энергии тот же канал мог бы быть образован парами Λ — К0, Σ — К+ и другими комбинациями частиц.

Еще удобнее рассматривать в понятиях каналов резонансы — крайне недолговечные состояния адронов, которые характерны для всех сильных взаимодействий. Это настолько эфемерные явления, что физики сначала даже не хотели классифицировать их в качестве частиц, да и сегодня более точное определение свойств резонансов остается одной из важнейших задач экспериментальной физики высоких энергий. Резонансы возникают во время столкновений между адронами и почти сразу распадаются. В пузырьковой камере они не обнаруживают своего присутствия, и выявить их можно только благодаря определенному изменению вероятностных характеристик реакций. Вероятность возникновения реакции при столкновении двух адронов зависит от количества задействованной энергии. При его изменении вероятность реакции тоже меняется; причем при увеличении энергии она может не только возрасти, но и уменьшиться в зависимости от конкретных условий. При некоторых значениях энергии вероятность реакции резко возрастает; она будет происходить гораздо чаще, чем при всех остальных. Рост вероятности связан с образованием недолговечного промежуточного адрона с массой, равной количеству энергии, при котором отмечается резкое увеличение вероятности.

Причина, по которой эти недолговечные адронные состояния получили название резонансов, может быть описана аналогией из механики, связанной с хорошо известным явлением резонанса при колебаниях. Мы знаем, что воздух внутри полого предмета слабо реагирует на приходящие извне звуковые волны. Но если волны достигнут определенной частоты, называющейся частотой резонанса, этот же воздух начнет резонировать, т. е. совершать очень сильные колебания. Канал адронной реакции тоже можно уподобить такой резонирующей полости: энергия столкновения адронов связана с частотой соответствующей вероятностной волны. Когда энергия, или частота, достигает определенного значения, канал начинает «резонировать», колебания вероятностной волны усиливаются, что вызывает резкий скачок вероятности реакции. Большинство каналов реакции имеют несколько резонансных значений энергии, каждое из которых соответствует массе недолговечного промежуточного адронного состояния, которое образуется, когда энергия сталкивающихся частиц достигает резонансного значения.