Пример, конечно, не столько наглядный, сколько сногсшибательный. Посудите сами: световой год - это расстояние, которое способен пройти свет в пустоте за один земной год. Скорость света составляет примерно 3.1010 сантиметров в секунду, а год длится 3,16.107 секунд (кстати, удобнейшая приближенная формула для запоминания: п .107 секунд, где п - обычное школьное "пи"!), то есть один световой год равен 1018 сантиметров, а 100 световых лет соответственно равны 1020 сантиметров. Это на 10(!) порядков превышает радиус Солнца и примерно в три раза радиус ядра нашей Галактики. Отсюда ясно, по крайней мере, одно: нейтрино способно приносить информацию из таких уголков вселенной, откуда ни одна другая частица не выберется "живьем".

Разумеется, о проникающей способности говорят лишь в среднем, то есть каждое отдельное нейтрино может застрять в первом же миллиметре вашего письменного стола, а может и проскочить всю вселенную. Просто оба эти события маловероятны. Рассуждая о гигантской космической преграде, имеют в виду, что вероятность застревания нейтрино при наличии более толстой преграды, скажем, свинцовой стены толщиной более 100 световых лет, весьма велика. В общем, здесь все происходит по правилам квантовой механики: запустив на какую-либо мишень достаточно интенсивный пучок нейтрино, мы вскоре обнаружим редкие события его столкновений с частицами вещества. Но именно в этом и скрывались основные трудности в постановке решающего опыта нужен был действительно мощный поток нейтрино.

Необходимый поток антиподов нейтрино - антинейтрино достигался на некоторых ядерных реакторах, и благодаря этому американские физики сумели зарегистрировать реакцию такого типа: антинейтрино налетает на протон, они взаимодействуют, и в результате возникают нейтрон и позитрон. Это открытие состоялось в 1956 году. В 1962 году был обнаружен другой тип нейтрино, так называемое мюонное нейтрино, возникающее при распаде уже встречавшегося нам мю-мезона. Таким образом, "дублер" появляется не только у электрона (мюон!), но и у электронного нейтрино (мюонное нейтрино).

А теперь обсудим вторую нерешенную задачку, где в ответе появится пи-мезон - частица с едва ли не прямо противоположными свойствами, для которой буквально каждый сантиметр вещества таит смертельную опасность. Эта задачка возникла в связи с уже упоминавшейся неприятностью - в красивой картине протон-нейтронной модели ядра не хватало одной "мелкой детали" неясно было, что же удерживает рядом протоны и нейтроны, почему одноименно заряженные протоны не разлетаются в разные стороны.

В разрешении данной загадки значительную роль сыграла небольшая заметка советского физика-теоретика И. Тамма, опубликованная в журнале "Нэйче" ("Природа") в 1934 году. Он предположил, что силы, действующие между протонами и нейтронами, обусловлены обменом парами квантов электронного и нейтринного полей. Эта идея следовала из аналогии с картиной взаимодействия электрических зарядов, например, электронов которые обменивались между собой фотоном. По замыслу И. Тамма, электрон-нейтринные пары, должны были "замещать" фотоны в задаче о взаимодействии протонов и нейтронов. Разумеется, теперь речь шла не об электрических, а о каких-то особых "ядерных зарядах". Силу взаимодействия между протонами и нейтронами можно было оценить непосредственно, исходя из теории Ферми, по той интенсивности, с которой нейтрон испускает электрон и антинейтрино, превращаясь при этом в протон. Но оказалось, что такое взаимодействие слишком слабо для поддержания стабильности атомных ядер! Однако идея И.Тамма проложила дорогу решению проблемы ядерных сил. Физикам стало ясно, что непосредственно применять готовые модели электромагнитных или слабых взаимодействий нельзя, соответствующие силы просто не смогут склеить протоны и нейтроны в ядре. Но в ограниченном виде аналогия с электродинамикой - там, где речь шла о некоторых обменных частицах - была вовсе не плоха. Именно из этого исходил двадцативосьмилетний физик-теоретик из Осакского университета X. Юкава, приступая к анализу природы новых сил, действующих в ядре. В 1935 году появилась его знаменитая статья, где была сформулирована гипотеза о существовании новых частиц - переносчиков взаимодействия между протонами и нейтронами, - квантах некоторого особого ядерного поля, наподобие фотонов, которые, как вы помните, являются квантами электромагнитного поля. Основываясь на известных ему оценках радиуса действия ядерных сил, X. Юкава рассчитал массу такой частицы, она должна была примерно в 200 раз превышать массу электрона. Величину "ядерного заряда" теперь уже можно было выбирать, не ограничиваясь теорией Ферми, а опираясь непосредственно на экспериментальные данные по взаимодействию протонов и нейтронов. Оказалось, что силы, действующие между ними, примерно в тысячу раз интенсивней электромагнитных. В результате получилась весьма неплохая модель устройства ядра, но, как это нередко встречается, сам автор воспринял ее излишне пессимистически - в конце статьи он указал, что придуманная им теория, по-видимому, неверна, поскольку... придуманную им частицу никто экспериментально не обнаруживал.

А судьба гипотезы о юкавских переносчиках взаимодействия между протонами и нейтронами, этих тяжелых квантах ядерного взаимодействия, оказалась и впрямь не очень простой. Начать с того, что уже в 1934 году первооткрыватель позитрона Ч. Андерсон со своим сотрудником С. Неддермейером обнаружили, что некоторые следы в камере Вильсона соответствуют частицам со значениями масс много больше электронной и много меньше протонной. Но X. Юкава ничего не знал об этих результатах! Официальное "открытие" новых частиц состоялось только в 1937 году, когда в одном и том же томе американского журнала "Физикал ревью" ("Физическое обозрение") появились сообщения сразу двух групп, изучавших следы космических лучей. Юкавское значение массы оправдывалось с поразительной точностью!

Эти работы явились вполне достойным "открытием" новых объектов мезонов, а кавычки для слова "открытие" использованы по той простой причине, что "американские мезоны" не имели непосредственного отношения к "японским предсказаниям" - это были уже упоминавшиеся мю-мезоны, дублеры электрона по микромиру. Впрочем, первоначально никаких особых подозрений в несоответствии предсказанных и открытых частиц не возникало. Лишь постепенно, в течение десяти лет, выяснилось, что такие частицы не обладают ядерной активностью и взаимодействуют с ядрами только благодаря наличию электрических зарядов.

Такие неприятные неувязки были окончательно осознаны к 1947 году, и не исключено, что в судьбе гипотетических тяжелых квантов Юкавы произошли бы трагические события, если бы... они не были именно в этом году открыты "всамделишно".

Особо важную роль в благополучном исходе поисков сыграли новые, чрезвычайно чувствительные фотопластинки, вовремя попавшие в руки к исследователям космических лучей. Благодаря чудо-пластинкам группа С. Пауэлла обнаружила, что наряду с мю-мезонами появляется некоторое количество частиц с близким значением массы, но способных к расщеплению атомных ядер. Так юкавские кванты, названные в отличие от мю-мезонов пи-мезонами, получили права полноправных граждан микромира. Не остались в тени и их открыватели: X. Юкава был удостоен Нобелевской премии в 1949 году, а С. Пауэлл - ровно через год.

Теперь, я думаю, ясно, почему примерно к 1937 году - отчасти по "святому неведению", отчасти по "стремлению к покою душевному" - у физиков создалось довольно радужное настроение по поводу того, как же лепо и пригоже устроен этот микромир. Все при деле, и все на своих местах. Две новые частицы - мезон и нейтрино - вполне оправдывают свое существование: с ними в физику вошло представление о двух новых типах взаимодействия - слабом и сильном. Похоже было, что экспериментаторы выполнили свой долг наилучшим образом. Теперь дело за теоретиками, за созданием хорошей количественной теории наблюдаемых явлений

К моменту, когда настоящий юкавский квант - пи-мезон - обнаружился в составе космических лучей, а еще через год был зарегистрирован на циклотроне Берклиевской радиационной лаборатории, могло сложиться впечатление, что все главные действующие лица микромира уже найдены. Но вот тут-то на горизонте и замаячили крупные неурядицы.

Житейская мудрость предлагает по поводу таких ситуаций внешне парадоксальную поговорку: когда слишком хорошо - значит, плохо! В данном случае все оказалось не то чтобы "плоше", но сложней и интересней.

Уже в 1944 году французские физики Л. Ле-Принс Ренгуэ и М Лэритье зарегистрировали любопытный след космической частицы, обладающей массой порядка 500 МэВ. Через три года сотрудники Манчестерского университета Дж. Рочестер и Ч. Батлер обнаружили два события: какие-то частицы распадались на лету, и возникала своеобразная вилка следов, напоминающая по форме латинскую букву V. Начались интенсивные поиски новых событий такого же типа, а вскоре стало ясно, что открыт целый новый класс, точнее, даже два класса элементарных частиц, и первоначально их так и назвали: V-частицы. Некоторые из них оказались массивней протона, а другие - легче его; и эти, более легкие, явно принадлежали к мезонам.

V-частицы вели себя довольно странно - они рождались с большой интенсивностью в результате сильных взаимодействий, а распадались на пи-мезоны и протоны или только на пи-мезоны (опять-таки на сильновзаимодействующие частицы - адроны!) с гораздо меньшей интенсивностью. Получалось так, что рождением и распадом V-частиц "управляют" различные силы, и распад происходит в результате слабых взаимодействий. В этом-то и состояло противоречие с известными законами физики, раз частицы способны участвовать в сильных взаимодействиях, то и распадаться на адроны они должны были бы за счет тех же сильных взаимодействий! Поскольку этого не наблюдалось, физики предположили, что рождение V-частиц происходит несколько необычным образом - они действительно образуются в процессах сильных взаимодействий, но лишь в строго определенных комбинациях, скажем, попарно, а распадаются поодиночке и уже за счет слабых взаимодействий. Впоследствии именно это свойство V-частиц - рождаться в строго определенных комбинациях было подтверждено экспериментами и расценено как странная черта в их поведении. Например, у пи-мезонов аналогичной странности не наблюдалось они рождались тоже с гораздо большей интенсивностью, чем распадались, но ведь распадались-то пи-мезоны не на адроны, а на частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях!

Летом 1953 года во французском городке Банье-де-Бигор была созвана конференция по физике космических лучей Она имела вполне определенную цель навести порядок в семействе недавно открытых частиц, дать конкретные рекомендации для составления подробной таблицы элементарных "кирпичиков мироздания".

Конечно, новое всегда интересно и притягательно, но физики могли с легким налетом грусти отметить - частиц стало много, слишком много, чтобы все они в равной мере оставались настоящими "кирпичиками". Вероятно, создавшееся в связи с этим элегическое настроение способствовало одобрению прилагательного "странные" в качестве определения (официального обозначения!) тех частиц, которые вели себя своенравно, и заставляли ученых искать какие-то необычные правила реакций. "Странные" мезоны были названы ка-мезонами, а "странные" частицы тяжелее протона и нейтрона - гиперонами. Протон, нейтрон и гипероны получили также и общее название - барионы (от "барос" - тяжелый).

В 1960 году на Международной конференции по физике высоких энергий демонстрировалась подробная таблица элементарных частиц и их основных свойств. Она занимала целую страницу стандартного книжного формата и включала целых 30 частиц и античастиц!

Первым, в гордом одиночестве стоял герой квантовых сражений фотон. Далее выделился особый класс лептонов (от "лептос" - легкий), куда вошли электрон, мюон, нейтрино и их античастицы. Из ядерно-активных частиц были известны 3 пи-мезона и 4 ка-мезона, а также протон, нейтрон, их античастицы и 6 гиперонов (один лямбда-гиперон, 3 сигма-гиперона и 2 кси) со своими антигиперонами.

Вот какая сложная "зоология" была наведена в микромире около 20 лет назад.

Запомнить такую "огромную" таблицу было намного сложней, чем две-три частицы "старых добрых времен".

Казалось, что конец 40-х и 50-е годы принесли настоящее половодье открытий - 20 новых частиц: мезонов и гиперонов, да еще и нейтрино. 23 из 30 частиц в приведенной таблице были ядерно-активны, причем 16 мезонов и гиперонов считались "странными". Следовательно, сильные взаимодействия обладают гораздо более сложными и разнообразными свойствами, чем могли себе вообразить физики в "ядерные" 30-е годы.

Между тем размышления о половодье возникли буквально накануне настоящего потопа, причем первые сигналы о надвигающейся "каре за иллюзии" физики в некотором смысле прозевали...

АДРОННЫЙ ПОТОП

"...В шестисотый год жизни Ноевой, во второй месяц, в семнадцатый день месяца, в сей день разверзлись все источники великой бездны, и окна небесные отворились. И лился на землю дождь сорок дней и сорок ночей..." Таковы строки библейской сказки о "наказании господнем", ниспосланном за грехи рода человеческого. Как известно, спасется лишь Ной - человек праведный и за то вовремя осененный предупреждением свыше. Он построит громадный ковчег, соберет на нем "всякой твари по паре" и причалит на нем к единственному кусочку незатопленной тверди земной - вершине горы Арарат.

Сказка сказкой, но нечто подобное произошло и в микромире: был и потоп открытий, и спасительный ковчег...

Масштабы событий, нахлынувших вскоре на физику элементарных частиц, действительно огромны, и их источники хорошо известны.

Ускорители дождались наконец своего часа. Уже к концу 40-х годов их возможности намного превзошли мечты создателей. Правда, хотя эпоха естественных радиоактивных снарядов ушла в прошлое, принципиальные результаты работ на ускорителях все еще плелись в хвосте у достижений физики космических лучей. Благодаря огромному энергетическому диапазону "дара небес" они позволяли широким фронтом вести поиск всевозможных необычных событий. Поэтому к моменту заполнения 30-частичной таблицы космические лучи оказались в положении фаворита.

Посудите сами, электрон и фотон были открыты с помощью катодных трубок; нейтрон и протон - с помощью радиоактивных элементов; нейтрино открыли, используя ядерный реактор. А вот мю-мезон, пи-мезоны, ка-мезоны, большинство гиперонов обязаны своим появлением исследованиям "космиков" (так называют среди физиков тех, кто занимается космическими лучами). Что могли показать на этой выставке достижений ускорители? Подтверждения результатов, добытых космиками? Но подтверждение, несмотря на всю полезность поговорки "повторение - мать учения", остается всего лишь движением по проторенному пути.

Неужели ускорители были обречены пожизненно на вторые роли?

Разумеется, нет! Просто они не могли конкурировать с космическими лучами в той области, где были (до поры, до времени!) заведомо слабее. Зато в систематическом изучении механизмов различных реакций ускорители имели уже к началу 50-х годов неоспоримое преимущество Ведь за несколько часов работы лабораторной установки можно было набрать тысячи и тысячи событий с интересующими экспериментаторов характеристиками. В процессе таких исследований и выяснилось, что таблица элементарных частиц, построенная главным образом благодаря даровым источникам, не то что неполна, но составляет на самом деле лишь малую часть настоящей таблицы.

Первые шаги на этом пути выглядели просто и скромно.

Весной 1951 года в Институте ядерных исследований при Чикагском университете был запущен синхроциклотрон с энергией протонного пучка 450 миллионов электрон-вольт. С помощью этого прибора группа Э. Ферми приступила к исследованию взаимодействия пи-мезонов с протонами. Пи-мезоны получались в результате бомбардировки медных и бериллиевых мишеней, после чего пучки положительно и отрицательно заряженных "ядерных квантов" выводились по отдельности на специальную мишень из жидкого водорода. Далее, измерялось ослабление пи-мезонных пучков: сцинтилляционные счетчики регистрировали количество налетающих на мишень частиц, а также число частиц, прошедших камеру-мишень без взаимодействия, и вычислялось отношение этих величин для камеры, заполненной водородом, и камеры пустой. Разность отношений в двух указанных ситуациях и определяла искомое ослабление.

Интуитивно ясно, что ослабление пучка зависит не только от силы взаимодействия пи-мезонов с протонами (ядрами атомов водорода), но и от плотности мишени. Поэтому для получения объективной характеристики самого взаимодействия необходимо выражать результаты измерений в форме, не зависящей от плотности. С этой целью обычно вводится удобная величина поперечное сечение взаимодействия, - измеряемая в единицах площади. Ее наглядный, хотя и несколько приближенный, смысл состоит в следующем: налетающая частица "видит перед собой" преграду, площадь которой и есть поперечное сечение; или по-другому: если укрепить монету перед стенкой и направить на стенку луч фонаря, то возникающая теневая картинка полностью определяется площадью поверхности монеты, и говорят, что сечение рассеяния света равно по порядку величины этой площади.

Измеряя сечение рассеяния положительных пи-мезонов на протонах, Э. Ферми и его сотрудники обратили внимание на странную закономерность: в интервале энергии пионов (так сокращенно называют пи-мезоны) от 56 до 136 МэВ сечение возрастало примерно в 15 раз, то есть вероятность взаимодействия становилась очень большой.

Буквально в тот же день, когда столь сильный рост был окончательно установлен, Э. Ферми ознакомился с текстом еще не опубликованной статьи молодого теоретика К. Бракнера. В этой статье высказывалось предположение, что в пион-протонном рассеянии может возникать своеобразный резонансный эффект - то есть подавляющая часть событий может происходить с образованием некоторого промежуточного состояния. Слова "подавляющая часть" означают, что некоторое промежуточное состояние образуется с очень большой вероятностью.

В своей статье, содержащей описание этих экспериментов, Э. Ферми отмечает, что природа "промежуточного состояния" неясна, а энергии Чикагского ускорителя слишком малы для изучения эффекта в более широком интервале. Между тем он и его сотрудники впервые наблюдали проявление совершенно новых "героев микромира" - резонансов.

Для понимания природы резонансов потребовалось еще примерно 8 лет интенсивных исследований в значительно более широком интервале энергий и с гораздо лучшей теоретической "вооруженностью". Но Э. Ферми уже не сумел разделить радость вступления в новую резонансно-адронную эру - 29 ноября 1954 года его не стало. А через три дня Комиссия по атомной энергии США наградила посмертно его - президента Американского физического общества, лауреата Нобелевской и многих других премий, члена ряда иностранных академий - еще одной премией, носящей его имя.

Открытие резонансного эффекта в пион-протонном рассеянии оказалось последней крупной экспериментальной работой Э. Ферми. Дальнейшая история прорыва в новую область микромира тесно связана с поисками более общей картины сильных взаимодействий, чем можно было получить в рамках юкавской модели. В сущности, основная идея X. Юкавы не отбрасывалась - барионы должны были по-прежнему взаимодействовать посредством мезонного обмена, но теперь уже речь шла о совершенно иных мезонах с несколько необычными свойствами.

К 1960 году различные гипотезы оформились в виде довольно ясного предсказания - следует искать новые частицы, способные распадаться на два или на три пиона. И в 1961 году почти одновременно были открыты ро- и омега-резонансы, которые вполне соответствовали бы предсказанным частицам, если бы... не отличались от обычных мезонов весьма забавным образом. Своенравие "ро" и "омега" состояло в том, что они принципиально не желали оставлять макроскопических следов.

Вот ведь какое дело! Представить себе существование обычной элементарной частицы не так-то просто: глаз или прибор регистрируют только достаточно масштабное явление среди атомов и молекул, вызванное "нарушителем спокойствия". А в данном случае никакого явления не видно, и резонанс приходится вычислять. Ни в одной лаборатории мира вам не покажут фотографии с красивым переплетением линий, где бы просматривался след нового объекта ро- или омега-резонанса. И тем не менее современная таблица элементарных частиц насчитывает более двухсот "главных взаимодействующих лиц", причем львиная доля приходится на эти самые резонансы. В чем же дело, нет ли тут каких-то неувязок? Можно ли ставить "невидимки" в один ряд с ранее известными частицами?

Прежде всего следует выяснить, не существует ли уважительной причины столь неуважительного отношения резонансов к традициям физической лаборатории. Среди частиц имеются различия не только по массам, но и по временам жизни. Из известных частиц абсолютно стабильны только четыре фотон, нейтрино, электрон и протон, которые в вакууме могут существовать сколь угодно долго. Остальные хозяева микромира - все мезоны и барионы, начиная с нейтрона, - в вакууме непременно распадаются. Время жизни нестабильных частиц весьма различно: например, у нейтрона оно превышает 15 минут, а заряженные пи-мезоны живут всего 2,6.10-8 секунды. Конечно, по нашим масштабам это невероятно маленький срок, но за такое время, двигаясь с околосветовой скоростью, пион успевает пролететь около 7,5 метра, то есть вполне достаточно для обычного фотографирования его в довольно большой камере. В этом смысле процесс распада можно считать медленным, происходящим как реакция со слабым взаимодействием.

Чем слабей взаимодействие, вызывающее распад, тем медленнее он происходит. Как мы помним, квантовая теория позволяет рассчитывать лишь вероятностные характеристики процессов. В данном случае обычно вычисляется вероятность перехода (например, пи-мезона в мюон и нейтрино) в единицу времени, а собственно временем жизни называется величина, обратная вероятности перехода. Понятно, что за счет слабых взаимодействий вероятности перехода получаются существенно меньшие, а, следовательно, и время жизни таких частиц большее. Скажем, родной брат заряженных пионов пи-ноль-мезон - может распадаться на два фотона только за счет электромагнитных взаимодействий, которые намного "сильнее слабых", и поэтому он живет недолго, в среднем 0,8.10-16 секунды.

Но по сравнению с резонансами и пи-ноль-мезон великий долгожитель. Если мы договоримся принять его краткий срок существования, его век жизни, за год, то в таком "микрокалендаре" резонанс живет всего несколько секунд, тогда как, например, мюон - около 20 миллиардов лет (примерно столько, сколько существует наблюдаемый участок вселенной в обычных годах)! В нормальной же шкале "ро" имеет время жизни порядка 10-23 секунды, и мюон - 2,2.10-б секунды, то есть резонанс должен распадаться на пионы за счет сильных взаимодействий. В этом его основная особенность. За столь малое время "ро" успевает пройти лишь микроскопическое расстояние порядка 10-13 сантиметра и, разумеется, не успевает оставить заметный макроскопический след. Поэтому его появление регистрируется не обычным путем, а особым образом.

Поскольку "ро" распадается на пару пионов, которые можно наблюдать непосредственно, то в какой-нибудь из реакций отбирают все события с рождением двух пи-мезонов и строят своеобразный график распределения по их суммарной массе. В этом распределении при массе примерно 773 МэВ должен наблюдаться максимум - горб кривой, - то есть основная часть событий концентрируется вблизи указанного значения. Однако распределение оказывается довольно широким - основание полученного "горба" составляет примерно 152 МэВ. Получив эти данные (для этого необходимо обработать сотни и сотни фотографий, содержащих пионные следы!), можно сделать вывод о том, что реакция образования пары пи-мезонов идет в два этапа: сначала рождается некая частица с массой 773 миллиона электрон-вольт, а потом она распадается на два пиона. Время жизни промежуточной частицы вычисляется простым делением постоянной Планка на ширину наблюдаемого "горба". Эта промежуточная частица и есть ро-резонанс, или ро-мезон.

В остальном "ро" ничем не отличается от обычных частиц-долгожителей и обладает всеми нормальными свойствами мезонов. Например, резонанс ро-мезон может быть заряжен положительно, или отрицательно, или быть нейтральным.

Резонанс омега-мезон имеет немного большую массу, но ширина соответствующего ему "горба" примерно в 15 раз меньше, то есть он живет в 15 раз дольше. Известны и более "узкие" резонансы, но все равно их времени жизни не хватает для непосредственной регистрации.

В сущности, физики столкнулись с самым настоящим резонансным явлением, известным и во многих других разделах науки. В воинской практике издавна существует железное правило: если колонна солдат вступает на мост, немедленно прекращается маршировка "в ногу", ибо парадное шествие может обойтись (и много раз обходилось!) очень дорого - всякий мост имеет привычку немного раскачиваться в такт движению, но, пока толчки ног случайны, размах колебаний невелик, а стоит общим усилием попасть на "любимую частоту" моста, и он не выдержит - рухнет. Если изобразить размах колебаний (амплитуду, говоря научным слогом) как функцию частоты, то в графике вблизи "любимой частоты" моста возникает резкий максимум. Здесь колебания могут стать столь сильными, что вся конструкция не выдержит и развалится. Таково типично механическое проявление резонанса.

С подобным явлением постоянно встречаются и при изучении электрических цепей. Каждый день, настраивая приемник на любимую станцию, вы регулируете специальный контур до тех пор, пока он не "попадает в резонанс" - начинает пропускать радиоволны определенной частоты, на которой и ведется передача со станции.

Ясно, что, меняя размеры моста и материалы, из которых он сделан, или применяя несколько иные радиодетали, мы можем в обоих случаях создать резонансные эффекты при совсем иных частотах. В случае адронных резонансов мы не вольны в своих возможностях - резонансный эффект наступает при определенных энергиях, и обнаруженные значения масс и времен жизни являются характерными и устойчивыми параметрами микромира. В этом смысле резонансы можно рассматривать как полноценные частицы наравне с долгоживущими.

Что же касается позиции экспериментатора, то тут, очевидно, все дело в определенной договоренности. В древние времена частицей могли считать объект, который можно видеть или осязать. Но видеть невооруженным глазом одно, разглядеть с помощью специального прибора - несколько другое. Применение телескопа и микроскопа Г. Галилеем привело к огромному сдвигу в научном постижении мира; но потребовалось немало времени, прежде чем люди осознали объективную реальность наблюдаемых таким образом несовершенств лунной поверхности или беспорядочных метаний мельчайших частичек вещества. В этом отношении ученые всегда пользовались известным преимуществом в понимании новых элементов реальности - они непосредственно ощущали пользу от своих "хитрых" приборов и гораздо быстрее привыкали к представлениям о тех или иных невидимках. Для людей, стоящих в стороне от конкретных естественнонаучных исследований, восприятие несколько затруднялось. Помните великолепные строчки из чеховского "Письма к ученому соседу": "Как Вы могли видеть на Солнце пятна, если на Солнце нельзя глядеть простыми человеческими глазами..."?

По поводу элементарных частиц также приходится заключать определенный договор. До поры до времени для регистрации новой частицы было необходимо предъявить ее портрет (еще лучше целый альбом!) - фотографию следа в камере Вильсона или ином приборе - переводчике с "микро" на "макро".

Регистрация каждого резонанса требует огромного числа специально обработанных данных, получаемых с сотен фотографий, причем ни на одной из них сам резонанс не оставляет собственного заметного следа - он лишь определенным образом перераспределяет размеры и направления заметных следов других частиц. Поэтому наблюдение резонанса предполагает дополнительную процедуру измерения по сравнению с ситуацией, где в игре участвуют только стабильные или долгоживущие частицы. Но если считать реставрацию резонанса по виду распределения видимых следов вполне допустимой операцией, то он становится полноправным членом семейства элементарных частиц.

КРАТКАЯ ТАБЛИЦА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

классы частицы символ название

фотон y фотон лептоны vе нейтрино электронное

vu нейтрино мюонное

е электрон

u мюон

мезоны

стабильные п пи-мезоны

K ка-мезоны

n эта-мезон

резонансы р ро-мезоны

w омега-мезоны

.

.

y пси-мезоны

адроны

барионы

стабильные p протон

n нейтрон

Л лямбда-гиперон

S сигма-гипероны

Е кси-гипероны

О омега-гиперон

резонансы N1470 N-1470

.

. N3030 N-3030

. . Д1232 дельта-три-три

.

. Д3230 дельта-3230

За последние 15 лет таблица частиц разрослась чуть ли не в 10 раз! Но, как ни странно, поток адронных резонансов не привел к хаосу в наших представлениях о микромире. Сквозь необъятные строки и столбцы таблицы частиц стали просматриваться удивительно четкие закономерности...

СПАСИТЕЛЬНЫЕ СИММЕТРИИ

Согласно библейской легенде Ной начал строить ковчег заранее и именно поэтому вполне благополучно пережил потоп. Нечто подобное произошло и в физике элементарных частиц. К моменту, когда на страницы научных журналов хлынул поток сообщений об открытии адронных резонансов, у теоретиков были подготовлены неплохие спасательные средства с красивым названием Высшие Симметрии. Оказалось, что огромная таблица сильновзаимодействующих частиц-адронов выстроена как бы не из отдельных "кирпичиков", а из целых "крупноблочных конструкций". Иными словами, адроны можно разделять на группы частиц с близкими свойствами, и таким образом наводить среди них весьма четкий порядок.

Что же такое симметрия, и о каких свойствах частиц идет речь?

Симметрия буквально означает соизмеримость. Это понятие играет важную роль в физике, как, впрочем, и во многих других областях научной и практической деятельности. Например, архитектор стремится, как правило, создавать симметричные здания со строгим равенством всех деталей относительно центра фасада - справа и слева должно располагаться одинаковое количество колонн, ступеней, окон, дверей...

Такое полностью симметричное здание обладает одним интересным свойством. Предположим, перед вами лежат два его фотоизображения, причем одно из них получено при непосредственном фотографировании изображения этого же здания в обыкновенном зеркале. Нетрудно догадаться, что при тщательном изготовлении обоих снимков никто не сумеет определить, где же изображено само здание, а где его зеркальный двойник. Мы сталкиваемся здесь с важным свойством симметричного объекта - его вид сохраняется при зеркальном отражении.

На самом деле любые формы симметрии тел или процессов связаны со свойством сохранения какой-либо величины. Верно и обратное утверждение: если есть закон сохранения, то за ним непременно скрывается определенная симметрия. Именно исследование законов сохранения и привело физиков к идеям группировки элементарных частиц.

Прежде всего остановимся на двух так называемых абсолютных законах сохранения: электрического и барионного зарядов (или квантовых чисел). К тому, что электрический заряд в некотором замкнутом объеме не исчезает бесследно и не появляется из ничего, мы привыкли с довольно давних времен. Когда речь идет об элементарных частицах, то закон сохранения электрического заряда означает, что алгебраическая сумма числа положительных и отрицательных зарядов до начала реакции и после нее не изменяется. Этот закон проверен в таком количестве опытов и со столь высокой степенью точности, что его относят к числу абсолютных законов сохранения. Важно то, что он выполняется в любых реакциях и ни одно из известных взаимодействий не способно его нарушить.

Одно из важнейших проявлений этого закона состоит в том, что электрон легчайшая из электрически заряженных элементарных частиц - абсолютно стабилен, то есть не способен к самопроизвольному распаду на какие-нибудь более легкие незаряженные частицы, например, на нейтрино.

Другой абсолютный закон сохранения связан со своеобразной закономерностью в поведении барионов, к которым, как вы помните, относятся протон, нейтрон, гипероны и значительная часть известных адронных резонансов. Барионы не могут бесследно исчезнуть или появиться из ничего. Иными словами, сумма числа барионов и антибарионов до какой-либо реакции и после нее остается постоянной. Формально этот закон можно представлять себе так, что как бы каждому бариону приписывается барионный заряд плюс единица, а каждому антибариону - минус единица, и в любой реакции алгебраическая сумма зарядов будет сохраняться.

Закон сохранения барионного заряда также проверен в огромном количестве опытов и в некотором смысле даже с большей точностью, чем в случае сохранения электрического заряда. Дело в том, что легчайший из барионов протон - не должен распадаться на какие-то более легкие частицы, например, на мезоны или лептоны, не несущие барионного заряда. Поэтому о протоне говорят: он абсолютно стабилен.

Но, используя определения типа "абсолютно", физики имеют в виду лишь то, что точность, с которой проводятся опыты на сегодняшний день, не позволяет уловить акты распада того же протона. Эта точность имеет вполне конкретную оценку, на основе которой обычно и делается вывод, что протон имеет время жизни больше, чем 2.1030 лет. Аналогичная оценка существует и для электрона - его время жизни должно превышать 3.1021 лет.

Теперь нам ясно, в каком смысле закон сохранения барионного заряда "сильней" закона сохранения электрического заряда. Практически же можно говорить и об абсолютно точном сохранении зарядов, ведь среднее время жизни и протона и электрона превышает время жизни наблюдаемого участка вселенной (порядка 2.1010 лет)!

Однако приведенное уточнение важно для понимания точки зрения физиков на законы сохранения вообще, идет ли речь о зарядах, импульсе, энергии или других важнейших характеристиках частиц. Всякий закон сохранения не есть какая-то абсолютно непреложная истина, а результат осмысления большого количества экспериментальных данных. Если появляются данные, которые никак нельзя согласовать с тем или иным законом, то его приходится считать приближенным. Тем не менее борьба за каждый закон сохранения идет до самого конца, и тщательно рассматриваются любые идеи, способные его спасти. Вспомним хотя бы историю гипотезы о существовании нейтрино, которая была выдвинута во имя спасения закона сохранения энергии.

Наряду с абсолютными законами сохранения электронного и барионного зарядов, которые играют очень важную и общую роль в наших представлениях о микромире, существуют другие приближенные законы сохранения, на долю которых и выпала главная тяжесть по наведению порядка в чрезмерно разросшейся таблице элементарных частиц.

Еще в 1932 году В. Гейзенберг обратил внимание на поразительную схожесть двух фундаментальных составляющих ядерной структуры - протона и нейтрона. Их массы отличались всего на десятую долю процента. И у него возникало, естественно, подозрение: если протон был бы вообще лишен электрического заряда, то не превратился ли бы он в самый настоящий нейтрон?

И тогда В. Гейзенберг выдвинул интересную идею: протон и нейтрон представляют собой просто различные состояния одной частицы - нуклона. Если вообразить мир, в котором "по мановению волшебной палочки" выключились бы электромагнитные взаимодействия, например, все фотоны объявили бы забастовку и не захотели бы вступать в контакт с электрическими зарядами то у физиков не нашлось бы никакого способа узнать "кто есть кто", - все частицы в ядре выглядели бы на одно лицо. И двуликую природу нуклонов можно установить после этого единственным путем - снова запустить в этот воображаемый мир фотоны и заставить их нести свои важные обязанности по розыску электрических зарядов.

Таким образом, нуклон совмещает в себе представление о двух частицах и как бы расщепляется на протон и нейтрон под действием электромагнитного поля. Аналогичная ситуация имеет место и в случае пи-мезонов. В теории можно рассматривать один пи-мезон, который расщепляется на три наблюдаемых пи-плюс-, пи-ноль- и пи-минус-мезоны - только при включении электромагнитных взаимодействий. Такое же "сокращение" можно провести и для известных ка-мезонов, гиперонов и резонансов.

Благодаря этому адроны с близкими значениями масс, но различными электрическими зарядами удобно группируются и предстают перед нами в более "крупноблочной" классификации: нуклон, пи-мезон, ка-мезон, три типа гиперонов (лямбда, сигма, кси) и так далее. То, что на самом деле каждый из них виден в нескольких состояниях, скажем, сигма-гиперон - в трех, является лишь сравнительно малым эффектом. Действительно, разности масс между различными состояниями частиц по сравнению с величинами самих масс этих частиц-адронов ничтожно малы. Можно считать, что разности масс между нейтральными и заряженными адронами, составляющие не более нескольких процентов от этих масс, как раз и обусловлены электромагнитными взаимодействиями.