2. Константа взаимодействия и превращения элементарных частиц

Подумаем еще раз: что такое заряд?

Мы уже говорили о том изменении, которое претерпело понятие "заряд". Вернемся же к этому еще раз, чтобы резюмировать все, что мы узнали. Подчеркнем: все, о чем мы сейчас будем говорить, представляет собой самую суть понятия "заряд", как мы его сейчас понимаем.

Электрический заряд - "старейший" в своей семье (если не говорить о гравитационном заряде, занимающем несколько особое место). "Детство" его связано с классической, неквантовой теорией. Больше того, просто с механикой. Механика же, как вы помните, строится на базе описания с помощью введения сил. Неудивительно, что и электрический заряд долгое время понимался как мера силового воздействия одной заряженной материальной точки на другую.

Максвелловское понимание электромагнетизма мало что здесь изменило. Акцент был сделан на посреднике электрических и магнитных взаимодействий, на поле. Самый же заряд по-прежнему остался мерой силы - силы, с которой действует поле на тела. Правда, этим его функции не исчерпывались. Тот же заряд характеризует, по Максвеллу, и меру способности тел создавать само поле.

Идеи квантового описания внесли новые подробности. Утратило значение "силовое" описание. Взаимодействие электрически заряженных тел предстало как результат обмена квантами электромагнитного поля - фотонами. Если бы мы не знали, что никаких "запасов фотонов" внутри электронов, скажем, нет, то можно было бы себе представить, что электромагнитные кванты способны "выливаться" из частиц или "вливаться" в них, подобно жидкости через отверстие. Тогда заряд как бы определял ширину этих отверстий: чем они шире, тем больше поток квантов. Но никаких "запасов" такого рода, конечно, нет, и мы говорим просто, что электрический заряд определяет степень интенсивности испускания (или поглощения) фотонов заряженными частицами или их группами.

Здесь нельзя не отметить одного обстоятельства, которое раньше, в предыдущих главах, осталось в тени (может быть потому, что там рассмотрение велось с несколько иной точки зрения).

Это обстоятельство состоит в следующем. Испустив или поглотив фотон, любая частица - электрон, протон, заряженный π- или μ-мезон и т. д. - можно перебрать все имеющие электрический заряд частицы в таблице - не испытывает никаких превращений. Точнее говоря - почти никаких: ведь сами эти частицы теряют или приобретают при этом энергию. Но это касается только изменения состояния движения.

Итак, существует обширный круг процессов, в которых взаимодействие с фотонами меняет состояние движения частиц, но не вызывает их взаимных превращений^*. Это замечательнейшее обстоятельство, в частности, и "позволяет" электромагнитным взаимодействиям во многих случаях проявляться в неквантовом обличии.

^*(Вот некоторые примеры процессов, в которых электромагнитные взаимодействия связаны с превращениями частиц: рождение и аннигиляция пар электрон - позитрон, распады нейтрального π⁰-мезона и нейтрального Σ⁰-гиперона.)

Ядерные взаимодействия уже таким свойством не обладают или, может быть, содержат лишь какие-то его слабые отголоски. Так денежное обращение как-то смутно напоминает натуральный обмен: это тоже какая-то "мена", только один из "продуктов" заменен определенным количеством денежных единиц.

При ядерных взаимодействиях также совершается обмен квантами - только не фотонами, а π-мезонами. Опять можно говорить о заряде - ядерном в данном случае, как о мере интенсивности испускания протонами и нейтронами квантов π-мезонного поля, переносящего взаимодействия.

Но здесь есть существенные различия. В некоторых отношениях настолько существенные, что это даже вызвало изменение терминологии.

Заряд - константа взаимодействия

Первое различие состоит вот в чем. При испускании заряженных π-мезонов происходит превращение частиц-источников. Это уже нечто совершенно новое по сравнению с электромагнитным взаимодействием.

Мы можем сказать, что процессы ядерного (или, иначе говоря, сильного) взаимодействия сопровождаются, вообще говоря, взаимным превращением частиц. Этого не происходит в единственном случае: когда испущенным или поглощенным является нейтральный π-мезон. Во всех остальных случаях ядерные взаимодействия связаны не только с изменением состояния движения, но и с изменением сорта частиц.

И в этом свете ядерный заряд выступает как количественное мерило того, как часто, с какой интенсивностью протекают эти взаимные превращения, эти трансмутации.

Здесь, однако, подчеркнутая нами сторона дела выступает еще не очень ярко. Уж очень много сходного между протоном и нейтроном. Если бы вдруг "выключились" электромагнитные взаимодействия, то их вообще невозможно было бы отличить друг от друга. Поэтому часто говорят, что это не разные частицы, а разные "зарядовые состояния" одной и той же частицы. Но сильные взаимодействия типичны не для одних нуклонов. Сильно взаимодействуют и гипероны (частицы тяжелее нейтрона и протона, обозначаемые как Λ-, Σ- и Ξ-частицы), а также К-мезоны. Здесь уже вполне ярко проявляется та черта сильных взаимодействий, что они связаны с превращением одних частиц в другие.

Наконец, слабые взаимодействия. Они редко ассоциируются у физиков с представлением о чем-то, хотя бы отдаленно напоминающем силовые воздействия. И "заряд" здесь называют, как правило, просто "константой слабых взаимодействий", как бы подчеркивая, что по своему смыслу он очень далек от классического аналога.

Точно так же, впрочем, вместо электрического заряда можно говорить о константе электромагнитных взаимодействий. В случае ядерных сил физики уже давно предпочитают говорить о константе сильных взаимодействий, а не о ядерном или мезонном заряде.

Константа слабого взаимодействия по праву стоит в одном ряду с величинами, характеризующими в квантовой теории другие взаимодействия. Ведь в этой теории любая константа взаимодействия (начнем привыкать к этому термину, замещающему термин "заряд") определяет, насколько быстро идут превращения одних частиц в другие. Константа электромагнитных взаимодействий - превращения любых заряженных частиц в те же частицы (но с измененным состоянием движения) плюс фотон. Константа ядерных взаимодействий - взаимные превращения барионов с участием π- и К-мезонов. Наконец, "слабый заряд", константа слабых взаимодействий, подобно предыдущим величинам описывает интенсивность протекания превращений с участием нейтрино (и антинейтрино). Мы увидим дальше, что ее роль этим не исчерпывается, но не будем забегать вперед.

Законы сохранения барионного и лептонного зарядов

Теперь несколько слов о другом отличии электрического заряда от прочих, которое, в основном, и привело к тому, что сейчас силы характеризуют константами взаимодействий, а не зарядами. (Кстати, вы, вероятно, заметили, что замена короткого слова "заряд" двумя длинными - "константа взаимодействия" - вызывает, помимо всего прочего, чисто стилистические трудности при частом употреблении.)

Термин "заряд" не был изгнан из области сильных и слабых взаимодействий, а лишь перестал характеризовать их количественно, превратившись в сохраняющееся квантовое число. Произошло это вот почему. До сих пор мы не обращали внимания на то, что электрический заряд двулик. С одной стороны, он характеризует интенсивность электромагнитных взаимодействий, а с другой стороны, является сохраняющейся величиной. Как вы помните, алгебраическая сумма электрических зарядов в замкнутой системе остается неизменной.

Обе эти функции заряда не связаны органически. Нет такого закона природы, который требовал бы сохранения констант взаимодействия для любых сил.

Для электромагнитных сил это так, а вот для ядерных и слабых уже нет. В сильных и слабых взаимодействиях слитые воедино в электродинамике функции заряда расщепляются. Появляются две независимые величины. Одна из них характеризует интенсивность взаимодействий, а другая - сохранение числа частиц: барионов или лептонов. Логично было сохранить термин "заряд" во избежание путаницы за одной из этих величин. Так и было сделано. Термин "заряд" стал применяться к сохраняющимся квантовым числам, а не к характеристикам взаимодействий. Можно, конечно, было бы поступить и иначе.

Сначала посмотрим, что сейчас называют барионным зарядом. Вы уже знаете, что число тяжелых частиц - барионов - сохраняется. Точнее, остается постоянной разность между числом барионов и анти- барионов, подобно тому как остается неизменной разность между числом положительно и отрицательно заряженных частиц.

Мы можем этот эмпирический факт описать следующим образом. Ввести новое квантовое число, которое для всех барионов принимает значение +1, а для всех антибарионов значение -1, и назвать это число барионным зарядом. Тогда сохранение числа барионов есть сохранение алгебраической суммы барионных зарядов. Итак, у барионов появилась новая характеристика - барионный заряд, причем эта новая характеристика не имеет связи с константой сильных взаимодействий, которая не сохраняется.

Константа сильных взаимодействий, например, у протона и антипротона одна и та же не только по величине, но и по знаку. Поэтому при аннигиляции протон-антипротонной пары их константы взаимодействия просто исчезают. В то же время алгебраическая сумма электрических зарядов не меняется, так как протон и антипротон имеют разные знаки константы электромагнитных взаимодействий - электрического заряда.

Корреляция между барионным зарядом и константой сильных взаимодействий лишь в том, что все частицы, имеющие барионный заряд, сильно взаимодействуют. Электроны и другие лептоны его лишены. Нет барионного заряда и у переносчиков ядерных взаимодействий - π- и К-мезонов, подобно тому как нет электрического заряда у фотонов.

В мире больших тел, в макромире, нет ни одного закона сохранения, хотя бы отдаленно напоминающего закон сохранения барионного заряда. Если бы подобный закон существовал, то это приводило бы к удивительнейшим ситуациям. Представим себе на минуту, что существовал бы закон сохранения человеческих индивидуумов. Тогда мужчины и женщины рождались бы только парами и в дальнейшем могли бы существовать неограниченно долго. Но при первой попытке образовать семью они тут же исчезали бы (по крайней мере для общества).

Именно таково положение вещей в мире тяжелых частиц. Аналогичным образом дело обстоит с лептонами, которые участвуют все без исключения в слабых взаимодействиях.

Разность между числом лептонов и антилептонов, как мы уже говорили, сохраняется, причем сохранение числа лептонов (будем так говорить для краткости) не имеет отношения к константе слабых взаимодействий.

Закон сохранения числа лептонов можно формулировать количественно простым образом, если всем лептонам приписать лептонный заряд +1, а всем антилептонам - заряд -1. Тогда алгебраическая сумма лептонных зарядов должна оставаться неизменной.

С открытием двух сортов нейтрино закон сохранения числа лептонов усложнился. Теперь для описания возможных превращений с лептонами нужно ввести два различных лептонных заряда. Электрону и электронному нейтрино следует приписать электронный лептонный заряд, а μ-мезону и мюонному нейтрино - μ-мезонный лептонный заряд (терминология здесь не вполне установилась и приходится пользоваться такими сложными названиями), причем оба эти заряда сохраняются независимо друг от друга. Алгебраическая сумма тех и других зарядов не меняется при любых реакциях между частицами.

Вероятно, электрический заряд оказался способным совмещать в себе функции константы взаимодействия и сохраняющегося квантового числа по той причине, что константа электромагнитных взаимодействий может иметь различные знаки: наряду с притяжением существует и отталкивание. В сильных и слабых взаимодействиях этого нет и потому такого рода совмещение функций здесь невозможно. Впрочем, во всем этом пока нет полной ясности.

Вывод, может быть, самый важный в книге

Теперь, после экскурса в область новых законов сохранения, подведем некоторый итог тому, что мы знаем о взаимодействиях. Любая константа взаимодействия определяет, насколько активно протекают превращения в определенных группах родственных процессов. (По существу слово "родственный" часто и обозначает только то, что в данном классе превращений можно обойтись одной и той же константой взаимодействия.)

Сегодня таких констант - если считать вместе с гравитационной - четыре типа. Всего четыре! И все бесконечное многообразие событий в окружающем нас мире сводится именно к ним!

Здесь трудно не впасть в патетический тон и не начать говорить в "высоком штиле" о том, какой умный народ физики, однако сделаем над собой усилие и продолжим наш рассказ.

По возможности точное измерение различных констант взаимодействия - одна из важнейших для физики задач. Это отнюдь не всегда просто. Времена не только Кулона, но и Милликена прошли.

Более наглядно сравнивать не константы, а энергии различных взаимодействий частиц (при определенных расстояниях между ними). Если условно принять энергию ядерного (мезонного) взаимодействия за единицу, то электромагнитные взаимодействия составят 10 ^-2, а слабые 10^-14 этой величины.

Здесь уже трудно усомниться в правомерности названия "слабые" для взаимодействий последнего типа.

Но в то же время в этом, как и во многих других случаях, нельзя забывать, что "слабое" отнюдь не является синонимом "несущественного".

Силы в природе и законы сохранения

Если отвлечься от гипотетической трансмутации гравитонов, то можно утверждать, что три типа сил вызывают превращения элементарных частиц друг в друга. Фундаментальный вопрос, вопрос вопросов - какие превращения частиц возможны? Ответ на него неожиданно прост. Сильные электромагнитные и слабые взаимодействия готовы вызвать любые превращения всего во все, и в мире существуют относительный порядок, относительная устойчивость лишь потому, что действуют мощные ограничители. Это законы сохранения! Все, что может произойти без нарушения законов сохранения, происходит под влиянием трех сил в действительности.

По выражению Кеннета Форда в микромире господствует полная демократия. Частицы могут вести себя как угодно в рамках закона. Если раньше думали, что фундаментальные законы определяют то, что может (и должно) произойти, то теперь приходится считать самыми главными те законы, которые утверждают, что не может произойти. Такими законами и являются законы сохранения. Они абсолютно запрещают процессы, в которых обязанные быть сохраняющимися величины не остаются постоянными.

В конце концов это изменение представлений о фундаментальных законах природы определяется просто вероятностным характером квантовых законов движения и превращений элементарных частиц.

Именно вероятностный характер законов не позволяет утверждать наверняка, что произойдет при столкновении двух частиц. Так, при столкновении быстрого протона с нейтроном могут появиться самые разнообразные частицы. Может быть рождено три π-мезона и пара К-мезонов. С тем же успехом π-мезонов может быть пять и т. д. В большой серии одинаковых опытов реализуются все возможности. Вероятности конечных результатов столкновения различны, но все они не равны нулю, если не противоречат законам сохранения. Поэтому всегда можно сказать, что не произойдет, но никогда нельзя заранее утверждать, что же получится в конце реакции.

На чем держится наш мир

Часто при первом знакомстве с миром элементарных частиц удивляются, почему большинство частиц нестабильно. В действительности же удивляться нужно не этому. Взаимопревращения - это образ жизни элементарных частиц.

Под действием трех типов сил никогда не прекращаются виртуальные превращения частиц друг в друга. Если нет препятствий со стороны закона сохранения энергии (другие законы сохранения выполняются и при виртуальных процессах), то рано или поздно произойдет реальное превращение: тяжелая частица распадается на более легкие.

При этом ничего не запрещает обратного процесса. Встретившись вместе, дочерние частицы сольются, превращаясь в материнскую. Однако такая встреча очень мало вероятна. Частицы разлетаются от места рождения, и так как наш мир не очень густо населен частицами, встреча их с братьями и сестрами, как правило, не успевает произойти. Они раньше распадутся, если только не являются стабильными. Все процессы микромира, в частности превращения частиц, обратимы, но обратный распаду процесс в обычных условиях мало вероятен. Лишь при сверхплотных состояниях вещества, в недрах тяжелых звезд, обратные процессы, по-видимому, происходят столь же часто, как и прямые.

Поэтому надо ожидать, что рожденная частица долго не может существовать. Так и есть на самом деле, за некоторыми исключениями. Таких исключений пять, если не считать античастицы: фотон, два сорта нейтрино, электрон и протон. Удивляться следует именно тому, что стабильные частицы все же существуют.

То, что фотон и нейтрино стабильны, понять не сложно. Они легче легкого. Их масса покоя уже равна нулю, и на более легкие частицы они распадаться не могут. Все другие частицы, казалось бы, должны распадаться на фотоны и нейтрино. Закону сохранения энергии это не противоречит.

Однако две частицы - электрон и протон - избегают саморазрушения. Почему? Только из-за особых законов сохранения.

Мы не знаем как следует, почему электрический заряд в природе сохраняется. Но зная, что он сохраняется, мы можем понять причину стабильности электронов. Электрон - самая легкая из заряженных частиц и по этой причине не может распадаться. Более легкие частицы фотон и нейтрино не заряжены. Распад электрона поэтому неминуемо приводил бы к нарушению закона сохранения заряда. Обеспечение стабильности электрона - самая, пожалуй, большая заслуга этого закона сохранения. Протон не распадается, несмотря на очень большой избыток энергии покоя по сравнению с легкими частицами и разнообразные возможности распада на мезоны и лептоны, только потому, что он является самым легким из барионов. Стабильность ядер, а значит и всей Вселенной, держится на законе сохранения числа барионов. Этот закон является мощным тормозом для распада протона на другие частицы.

Страшно подумать, что было бы без законов сохранения электрического и барионного зарядов. Мир представлял бы собой безрадостное скопище фотонов и нейтрино, которые лишь изредка производили бы на свет эфемерные образования, тут же возвращающиеся в фотонно-нейтринную нирвану. За время 10^-10 секунды даже могучая природа не смогла бы создать таких разумных существ, как мы с вами.

Сохраняются не только электрический, барионный и лептонный заряды. Есть и другие квантовые числа, которые также сохраняются, но уже не всегда. С ними вам предстоит познакомиться в дальнейшем.

В физику входит странность

В прекрасном популярном обзоре состояния физики элементарных частиц, опубликованном Гелл-Манном и Розенбаумом в 1957 году^*, эпиграфом взяты слова Френсиса Бэкона: "Не существует совершенной красоты, которая не содержала бы в себе некоторую долю странности". Близко соприкоснувшись с идеями современной физики, нельзя, кроме всего прочего, не почувствовать их эстетического совершенства. (Одному из виднейших современных теоретиков, Дираку, принадлежат отнюдь не лишенные глубины слова: "Физическая теория должна быть математически элегантна"). В то же время этой теории присуща совершенно неоспоримая доля "странности". И даже само слово "странность" вошло в научный лексикон. Дело здесь, разумеется, не только в жизнерадостности и чувстве юмора пустивших его в обращение молодых в ту пору теоретиков. Природа действительно как бы проучила несколько успокоившихся физиков, с великолепной щедростью поднося им один сюрприз за другим.

^*(См. сборник "Над чем думают физики", вып. 2, Элементарные частицы, Физматгиз, 1963.)

Начиная с 1947 года, в таблице элементарных частиц появилась целая плеяда гиперонов и К-мезонов. Появилась нежданно-негаданно. Ни из какой теории они не вытекали. Это были "странные частицы". Так их и назвали.

Элементарные частицы

И частицы как будто поспешили оправдать свое название.

Мало того, что они явились нежданными, само их появление протекало как-то необычно. Эти частицы никогда не рождаются по одной - всегда парами или в еще большем количестве. Как будто ничего удивительного в этом нет. Ведь мы знаем уже немало примеров рождения пар: парой рождаются электрон и позитрон при столкновении γ-кванта с ядром, парами рождаются и другие частицы вместе с соответствующими античастицами. Но в том-то и дело, что пары странных частиц - совсем другого рода. Здесь нет группы частица - античастица. Вот, например, схема реакции

Отрицательный π-мезон, сталкиваясь с протоном, порождает отрицательный Σ-гиперон и положительный К-мезон; распадается далее на Σ^--мезон и не оставляющий в камере следа нейтрон. Σ^- и К⁺ вовсе не связаны соотношением частица - античастица. Аналогично положение и в других реакциях образования странных частиц. Почему? На этот вопрос нужно было искать ответ где-то за пределами существовавшей к тому времени теории.

Однако дело не ограничивалось удивительной прихотливостью процессов рождения. Распады новых частиц были еще более "странными".

Посмотрим еще раз на только что написанную реакцию. В ней участвуют протон и π-мезон - явно сильно взаимодействующие частицы. Следовательно, и другие две частицы - как Σ-гиперон, так и К-мезон - тоже должны быть отнесены к разряду участвующих в сильных взаимодействиях.

И действительно, это подтверждается целым рядом как теоретических, так и прямых экспериментальных доводов: гипероны, например, отлично бы замещали нуклоны в ядре, не будь они так неустойчивы (о чем мы уже говорили, рассказывая о гиперядрах).

Итак, гипероны (будем для краткости говорить о них) - сильно взаимодействующие частицы. Это вполне соответствует также и тому, что рождаются гипероны очень "активно". Если так, то они с огромной "охотой" должны были бы выбрасывать π-мезоны, превращаясь при этом в нуклоны, скажем, по схеме

что, кстати, действительно и наблюдается.

Но вот удивительное дело. Такой процесс чем-то радикально тормозится. И не только этот. Поскольку гипероны - сильно взаимодействующие частицы, всем им, казалось бы, "полагается", едва возникнув, тут же распадаться. На это потребовалось бы столько же примерно времени, сколько нужно световому лучу, чтобы пройти расстояние, равное размерам одной частицы (а ведь свету достаточно десятой доли секунды, чтобы обежать земной шар по экватору). А что говорит опыт? Опыт говорит: гипероны живут в сотни тысяч миллиардов раз дольше, чем то "приличествует" сильно взаимодействующим частицам. Странно? Без сомнения, - но ведь и частицы "странные".

Однако сказанное не исчерпывает всех странностей. Если подсчитать "заряд", ответственный за распад гиперонов, то получится нечто совсем удивительное (хотя, может быть, после всего сказанного и не столь удивительное): вместо константы сильного взаимодействия получится (причем с весьма убедительной точностью) - что бы вы думали? Константа слабого взаимодействиях!

Цитируем опять обзор Гелл-Манна и Розенбаума: "...двигаясь прочь друг от друга непосредственно после своего рождения, странные частицы уходят от своей гибели посредством сильного взаимодействия и живут до тех пор, пока значительно менее вероятный слабый процесс не покончит с ними".

"Секрет долголетия" странных частиц

Итак, вне всякого сомнения, существуют какие-то обстоятельства, препятствующие "сильному" распаду странных частиц. Что же это за обстоятельства? Длительный опыт приучил физиков к мысли, что за любым "запретом" следует искать какие-то законы сохранения. Не могут протекать превращения, в которых нарушился бы закон сохранения заряда. Закон сохранения энергии "запрещает" процессы, в которых суммарная масса продуктов распада больше массы распадающейся частицы. Законы сохранения энергии и импульса приводят к тому, что при аннигиляции электронно-позитронной пары рождается не меньше двух γ-квантов.

Не означает ли "заторможенность" сильного распада гиперонов, что здесь проявляется какой-то новый, еще не замеченный физиками закон сохранения?

Такая гипотеза была выдвинута Гелл-Манном. Новую величину, которая сохраняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях, назвали "странностью".

"Обычным" частицам, т. е. протону, нейтрону (и их античастицам), а также нейтральному и заряженным π-мезонам приписывалась нулевая странность. Для остальных сильно взаимодействующих частиц странность распределялась так:

странность, равная минус единице:

странность, равная плюс единице:

Λ⁰, Σ⁺, Σ^-, Σ⁰, К⁺, К⁰ (т. е. у соответствующих античастиц);

странность, равная минус двум: Ξ^-, Ξ⁰;

странность, равная плюс двум: Ξ^-, Ξ⁰.

Если реакция такова, что странность не меняется, то процесс идет по сильному каналу. Так, в уже приведенном примере

исходные частицы имеют нулевую странность; Σ^- имеет странность -1, К⁺ обладает странностью +1. Следовательно, и в "правой части" суммарная странность равна нулю. "Сильный" канал разрешен.

С другой стороны, распад

протекает с очевидным изменением странности на единицу (из -1 получается 0). Согласно новому закону сохранения такое превращение не может проходить по законам сильного взаимодействия. Парное рождение определяется именно сохранением странности. Подобно тому как существующие в советском альпинизме правила запрещают одиночные восхождения (на вершину может отправиться только по крайней мере двойка), закон сохранения странности выпускает в жизнь гипероны и К-мезоны только парами. Не будь этого закона, частицы немедленно гибли бы сразу же после своего рождения, что с альпинистами-одиночками происходит не всегда.

Чтобы внести большую наглядность в то, о чем мы здесь говорили, представьте себе, что некоторый процесс, идущий по "сильному каналу" (т. е. без изменения странности), длится одну секунду. Тогда на превращения с изменением странности на единицу потребовались бы миллионы лет! А на случаи, когда странность меняется на две единицы, нужны были бы невообразимо большие сроки, намного превосходящие возраст самой Земли.

Какие взаимодействия называются слабыми

Если вас теперь спросить: "Какие же взаимодействия называются слабыми", - вы, вероятно, не сможете вразумительно ответить. Но в этом главным образом наша вина, а не ваша. Наш рассказ о слабых взаимодействиях никак нельзя назвать последовательным.

Впрочем, мы и не стремились к последовательности. Вначале хотелось дать представление, хотя бы отчасти, о том несколько хаотическом потоке идей и фактов, который имел место в действительности при исследовании слабых взаимодействий.

Теперь пора упорядочить те сведения об этих взаимодействиях, которыми ученые располагают сейчас. Такое упорядочение, кстати, произошло лишь в последние годы. Но несмотря на это, теория слабых взаимодействий далеко не достигла той степени совершенства, как квантовая электродинамика. Здесь еще, как бы ни были велики успехи, очень много загадочного. Несомненно, даже больше, чем известного. Не исключено, что мы не знаем самого главного. Не знаем даже, в чем это главное должно состоять.

Что же мы знаем, если говорить по возможности последовательно?

Если жизнь вообще и чтение этой книги, в частности, еще не притупили чудесную способность удивляться, то первый же факт может поразить.

Представьте себе: на лужайке вы увидели необыкновенный цветок, затерянный среди густой, высокой травы. Вы никогда не видели таких и уверены, что он единственный, как сказочный аленький цветочек. А вам вдруг говорят, что такие цветы повсюду. Лишь густая высокая трава закрывает их. И не нужно путешествовать к "чудищу безобразному", чтобы сорвать аленький цветочек.

Экзотическими представляются слабые взаимодействия: загадочное нейтрино, распад странных частиц - вот следы их деятельности. А на самом деле это не так. Слабые взаимодействия совсем не являются экзотическими. Сейчас ученые считают, что они, по-видимому у присущи всем элементарным частицам.

Все дело в том, что в процессах, протекающих за счет действия электромагнитных или ядерных сил, слабые взаимодействия заметным образом не проявляют себя, оказываются в тени именно потому, что они слабы^*. Ими можно просто пренебречь. Ведь пренебрегаем же мы гравитационными силами во всем, что касается элементарных частиц. Лишь в тех случаях, когда электромагнитные и ядерные силы ничего не могут сделать, слабые взаимодействия выступают на первый план. Только в этих случаях такое грубое макроскопическое существо, как человек, способно заметить их действие. На самом деле они возможно уступают в универсальности только гравитационным силам.

^*(По крайней мере при энергиях, с которыми имеют дело современные экспериментаторы.)

В начале этой главы много говорилось о нейтрино. Причина этого в том (если вы еще ее не уловили), что нейтрино - единственная частица, не испытывающая никаких взаимодействий, кроме слабого, если не говорить о еще более слабых гравитационных силах.

Все процессы, в которых появляется (или исчезает) нейтрино, обусловлены слабыми взаимодействиями. Именно поэтому изучение процессов с нейтрино наилучшим образом проливает свет на природу слабых сил.

Есть еще только одна группа процессов, в которых слабые взаимодействия оказываются решающими. Это процессы превращения частиц с изменением странности. Сохранение странности в сильных и электромагнитных взаимодействиях открывает простор для слабых сил, при действии которых по таинственным причинам странность не сохраняется.

Итак, к слабым взаимодействиям обычно относят все процессы с участием нейтрино и все взаимодействия, меняющие квантовое число - странность.

Универсальность слабых взаимодействий

Электрический заряд определяет скорость превращения заряженной частицы в ту же частицу плюс фотон^*; константа сильных взаимодействий - превращения барионов друг в друга с испусканием π- и К-мезонов. А константа слабых взаимодействий ответственна за самые разнообразные превращения частиц, как с участием нейтрино, так и без него, как с лептонами, так и с барионами. Откуда же берется такая универсальность?

^*(За упомянутым ранее исключением: распады π⁰-мезона и Σ⁰-гиперона.)

Если вдуматься, то попытки объяснить одной причиной массу разнообразных превращений элементарных частиц могут показаться столь же мало перспективными, как попытки объяснить единой причиной вымирание древних ящеров и появление на земном шаре китов и кашалотов.

Однако это не так. Сравнительно недавно была высказана гипотеза, объясняющая природу универсальности слабых взаимодействий. Сейчас эта гипотеза стала почти достоверной.

В слабых взаимодействиях, согласно этой гипотезе, всегда участвуют четыре частицы, имеющие спин . Четыре фермиона, как часто называют частицы со спином, равным половине постоянной Планка. Универсальность слабых взаимодействий состоит в том, что взаимодействие двух фермионных пар построено одинаковым образом и характеризуется одной и той же константой связи. Пары взаимодействующих фермионов могут быть самыми различными. Требуется только, чтобы каждая пара содержала одну заряженную и одну нейтральную частицу. Лептоны группируются в свои пары: электрон - электронное нейтрино, μ-мезон - мюонное нейтрино, а барионы - в свои. Но каковы бы ни были эти пары, слабое взаимодействие между ними всегда одно и то же.

В мире живых существ этому соответствовала бы довольно фантастическая картина. Закон преобразования семейной пары Ивановых в ту же пару, но в новом состоянии был бы точно таким же, как закон преобразования слона и ехидны в кенгуру и черепаху.

Здесь, естественно, читатель должен выступить с протестом. "Сходство между превращениями элементарных частиц и трансмутацией слона в кенгуру заведомо преувеличено. Но где же можно усмотреть объяснение универсальности слабых взаимодействий, если по сути дела все остается довольно странным, если учесть возможность подобных параллелей? Ведь у вас фактически речь идет о том, как в рамках теории увязать необычайные факты, а не о том, как их объяснить".

На это можно ответить примерно так. Ну что же, в значительной степени дело обстоит именно таким образом. В первую очередь задача физиков состоит в том, чтобы увидеть то общее, что скрывается за бездной разрозненных фактов. Открыть (или угадать) общий закон. А почему в природе действует этот общий закон? Здесь мы опять-таки, как и в других случаях до этого, ничего сказать не в состоянии. По крайней мере в настоящее время.

Не нужно только думать, что угадать четырехфермионный характер слабых взаимодействий было легко. Отнюдь нет! В случае, скажем, распада нейтрона и μ-мезона это непосредственно очевидно:

n → р + е^- + _е,

μ^- → е^- + _е + ν_μ.

Здесь все четыре взаимодействующих фермиона налицо.

А теперь посмотрите на распады π-мезона и Λ⁰-гиперона, вызванные тоже слабыми взаимодействиями:

Здесь непосредственно участвуют только по два фермиона. Тем не менее и данные реакции вызываются четырехфермионным слабым взаимодействием, но все происходит много сложнее.

Эти реакции идут в два этапа, и на одном из этапов в качестве промежуточного состояния возникает нуклон-антинуклонная пара, которая затем аннигилирует, причем важно, что это промежуточное состояние существует столь малое время, что квантовая неопределенность энергии, о которой мы уже говорили, позволяет реакции идти. С классической точки зрения реакция была бы невозможна, так как ее течение не согласуется с законом сохранения энергии в классическом понимании.

Реакцию распада π⁺-мезона (то же, конечно, относится и к распаду π^--мезона) следует рассматривать так. На первом этапе π⁺-мезон превращается в пару протон - антинейтрон за счет сильного взаимодействия. Затем эта пара уже за счет слабых четырехфермионных взаимодействий превращается в μ⁺-мезон и мюонное нейтрино:

Мы в состоянии наблюдать лишь начальное и конечное состояния, и поэтому здесь четырехфермион- ный характер слабого взаимодействия оказывается замаскированным.

При распаде Λ⁰-частицы она за счет слабых взаимодействий сначала превращается в протон и пару нейтрон - антипротон. При этом странность изменяется на единицу:

Λ⁰ → р + + n.

Затем нейтрон-антипротонная пара аннигилирует за счет сильных взаимодействий, превращаясь в π^--мезон:

+ n → π^-,

а возникший на первом этапе реакции протон продолжает существовать. В целом реакция выглядит так:

Сходным образом обстоит дело и при других реакциях.

Сейчас построена удовлетворительная количественная теория слабых взаимодействий, в которых не участвуют странные частицы. Гораздо хуже обстоит дело, если они в реакции участвуют. Здесь теоретические предсказания не совпадают с экспериментальными даже по порядку величины.

Существует ли поле слабых взаимодействий?

Внимательный читатель мог обратить внимание на глубокое отличие трактовки слабых взаимодействий от всех остальных. (Остановитесь и подумайте, если этого пока не заметили, в чем же состоит различие?) Электромагнитные взаимодействия осуществляются посредством электромагнитного поля. Кванты этого поля - фотоны - являются переносчиками взаимодействия. π-мезоны - переносчики ядерного взаимодействия. А о переносчиках слабого взаимодействия или, что то же самое, о поле слабых взаимодействий не было сказано ни слова. Подразумевалось, что все четыре фермиона взаимодействуют локально, в одной точке, без всяких посредников. При этом никакого поля слабых взаимодействий, подобного электромагнитному, не существует. Не существует и квантов слабого взаимодействия.

Но так ли это в действительности? Откуда такая исключительность слабых взаимодействий?

Более привлекательна идея о том, что есть поле слабых взаимодействий и в этом отношении слабые взаимодействия не отличаются от всех остальных. Соответственно существуют и кванты этого поля, условно пока названные промежуточными бозонами.

Гипотеза об их существовании хорошо согласуется с представлением об универсальном четырехфермионном взаимодействии. Взаимодействия между двумя парами фермионов осуществляются посредством обмена квантами поля слабых взаимодействий, подобно тому как при электромагнитных взаимодействиях частицы обмениваются фотонами.

Промежуточные бозоны, как вытекает из законов сохранения, должны иметь электрический заряд (положительный или отрицательный) и спин, равный постоянной Планка . В силу последнего обстоятельства они, как и любые частицы с целыми спинами, называются бозонами (в отличие от фермионов - элементарных частиц с полуцелым спином).

О массе промежуточного бозона можно только догадываться. Вероятно, она велика и превышает массу К-мезоиа. Иначе К-мезон распадался бы на промежуточный бозон и γ-квант, чего в действительности не наблюдается. Большой массе переносчика взаимодействия согласно квантовой теории соответствует малый радиус действия. По существующим оценкам он не превышает 10^-14 см. Это на два порядка меньше радиуса действия короткодействующих ядерных сил.

При тех энергиях, которые сейчас можно получить на ускорителях, не удается установить, существует ли промежуточный бозон или же слабое взаимодействие является локальным. По выражению Л. Б. Окуня, бозон как жесткая пружина связывает между собой пары частиц. Если энергия, передаваемая пружине при столкновениях, мала по сравнению с ее жесткостью, пружина выступает как твердое тело (этому соответствует локальное взаимодействие, когда существование промежуточного бозона не сказывается). Если энергия велика, то пружина деформируется и это можно обнаружить экспериментально.

Промежуточный бозон не может быть стабильным. За время порядка 10^-17 сек он должен распадаться. Это время столь мало, что заметить бозон в камере Вильсона невозможно. Слишком коротким будет трек. Но о его существовании можно судить по продуктам распада. Он может распадаться на μ-мезон и нейтрино, электрон и нейтрино или на несколько π-мезонов.

Рождаться промежуточные бозоны могут в поле ядра при рассеянии нейтрино больших энергий. Правда, вероятность таких процессов очень мала. Нужны очень большие энергии и плотности пучков нейтрино, которые современные ускорители не могут обеспечить. Промежуточные бозоны пока не обнаружены. Значительных успехов физики ожидают от тех мощных ускорителей, которые сооружаются в настоящее время в разных странах.

Можно только удивляться, как много мы уже знаем о свойствах этой частицы. Правда, самого главного мы не знаем: существует ли она вообще.

Всегда ли "слабы" слабые взаимодействия?

Слабые взаимодействия, как уже упоминалось, обусловливают не только распады странных частиц и распады с появлением нейтрино. При столкновениях частиц слабые взаимодействия вызывают рассеяние, которое до сих пор не наблюдалось по той простой причине, что оно очень мало и обычно затмевается электромагнитным и ядерным взаимодействиями.

Лишь при рассеянии нейтрино, например на электронах, рассеяние может быть обусловлено исключительно слабыми взаимодействиями. Но опять-таки из-за слабости взаимодействия этот процесс пока не удалось наблюдать.

Наблюдение такого процесса, однако, не безнадежное дело. Слабые взаимодействия обнаруживают еще одно необычное свойство. Вероятность взаимодействия частиц при столкновениях быстро возрастает с энергией. Если помните, это обстоятельство было использовано при доказательстве существования двух сортов нейтрино.

При энергиях порядка 300 миллиардов электрон- вольт, как показывает теория, слабые взаимодействия фактически уже перестают быть слабыми. Вероятность рассеяния частиц за счет слабых взаимодействий становится сравнимой с вероятностью рассеяния частиц при электромагнитных взаимодействиях.

На Земле нейтрино сверхвысоких энергий могут быть получены только на ускорителях, т. е. в ничтожных количествах. Но в космосе, внутри звезд, могут встретиться самые необычные условия. Об этом пойдет речь в дальнейшем.

После знакомства с сильными и слабыми взаимодействиями бесспорно одно. Мы очень далеки сейчас от той чарующей простоты физической картины мира, которая рисовалась ученым в начале нашего века, когда казалось, что все на свете строится из двух лишь сортов частиц - электронов и протонов (к ним следует прибавить фотоны). Теперь мы твердо знаем, что мир гораздо сложнее, чем представлялось еще двадцать лет назад. Это касается не только мира элементарных частиц в прямом смысле этого слова. Изменились наши представления о прошлом и настоящем макромира, мира космических объектов.