1. Что такое резонансные частицы?

О том, как появилась последняя глава в книге сил природы?

В журнале "Успехи физических наук" за март 1955 года опубликована статья, озаглавленная "Основные направления в физике элементарных частиц". А. М. Балдин и А. А. Комар, авторы этой статьи, в которой анализируются итоги конференции по физике высоких энергий в Дубне, говоря о типах взаимодействия, ставят следующий вопрос: "Исчерпывается ли их (взаимодействий) многообразие сильными электромагнитными, слабыми и гравитационными взаимодействиями, или такое разбиение является условным и существует множество промежуточных типов взаимодействий, или, наконец, все они есть разные стороны проявления единого взаимодействия, охватывающего все элементарные частицы?"

Журнал 'Успех физических наук'

Сам факт постановки такого вопроса может удивить или даже раздосадовать нашего читателя. Ведь все, о чем говорилось до сих пор, составило такую цельную и гармоническую картину! Четыре типа сил - и к ним, казалось, сводится все многообразие взаимодействий в природе. И вдруг еще какие-то силы...

Наши представления о природе непрерывно пополняются. Сейчас мы стали свидетелями бурного вторжения в физику новых идей. В книгу о единстве - и многообразии - природы вписывается новая глава. Мир элементарных частиц, замкнутый и загадочный, приоткрылся нам еще с одной стороны. Не все еще здесь прошло проверку временем. Однако физики вбили еще один заявочный столб на обширной и далеко еще не исследованной территории. Не вызывает сомнений, что заявка сделана весьма серьезная (в активе уже имеется такой, например, факт, как предсказание - и открытие - новой частицы). Умолчать об этом в книге о силах в природе нельзя. Ведь речь идет об установлении упорядоченности, о систематике элементарных частиц.

Как это бывает всегда, каждое новое открытие не только решает какие-то вопросы, но и порождает множество новых. Так произошло и на этот раз. Новыми открытиями продиктованы, в значительной мере, и те вопросы, которые мы воспроизвели здесь, сославшись на статью А. М. Балдина и А. А. Комара. Эти и множество других. Вопросы из тех, которые физики часто называют вопросами "номер один".

Мы решили хотя бы кратко рассказать об этом. Быть может, такой рассказ поможет читателю яснее почувствовать, что наука - не застывшая система догм, а живой развивающийся, иногда даже противоречивый организм. И в этом развитии - высшая гармония науки.

Весьма вероятно, что все, о чем будет говориться в этой главе сегодня, завтра может стать введением в новую книгу. Новую - и в то же время старую: великую книгу познания природы.

Элементарная частица... А что это такое?

Со времени Демокрита и до наших дней в тысячах книг склоняется слово "атом". "Атом" означает неделимый. Атомы отрицались, в атомах сомневались, в атомы поверили - и (в этом, согласитесь, есть своя доля курьезности), поверив, очень скоро убедились, что они, в сущности, не оправдывают своего названия. Те атомы, о которых знает сегодня каждый школьник, имеют хорошо изученную структуру. Их можно расчленить.

Атомы делимы, и их деление стало решающим фактором всей нашей жизни. Они состоят из более мелких частиц. Может быть, на них, на эти частицы, следует перенести название "атом"? Так, в сущности, и было сделано, только изменилась терминология - частицы стали называть элементарными.

Элементарная частица... А что, собственно, это такое? В слове "элементарно", по замечанию Корбена и де Бенедетти, заключена восхитительная двусмысленность. Оно может означать или то, что понимается сразу, или же нечто настолько фундаментальное, что оно никем пока вообще не понято. Именно в последнем смысле сейчас и называют субатомные частицы элементарными.

Поначалу, впрочем, казалось все просто: это не допускающие дальнейшего дробления простейшие крупицы материи. Открытие каждой новой частицы составляло и составляет сейчас выдающийся триумф науки. Но уже лет двадцать назад к каждому очередному триумфу начала примешиваться доля беспокойства. Слишком уж часто случались эти триумфы. Число частиц перевалило за тридцать. Неужели все они элементарны? Среди них ведь встречаются и такие, как мюон, которые и по сей день кажутся непонятным капризом природы. Без них мир наш, казалось, мог бы спокойно обойтись.

Еще одно немаловажное обстоятельство. Ведь большинство частиц не вечно. Они рождаются, живут некоторое время, исчисляемое от нескольких минут для нейтрона до ничтожных долей секунды для π⁰-мезона и других частиц. Затем они гибнут, порождая новые частицы.

Все же после некоторых колебаний ученые сочли целесообразным считать все частицы элементарными и рассматривать их гибель не как распад на составные части, а как превращение одних в другие. Дело в том, что частицы-потомки, как уже подчеркивалось ранее, находятся совсем в ином отношении к частицам-предкам, чем осколки разбитого горшка к первоначально существовавшему целому сосуду.

Самые короткоживущие

Обстановка в физике элементарных частиц и без того была достаточно напряженной, когда произошло событие, обострившее ситуацию до крайности. Была открыта новая серия частиц со столь коротким временем жизни, что по сравнению с ними одна из самых короткоживущих частиц, π⁰-мезон, может показаться бессмертной. Она в миллиард раз долговечнее.

Время жизни этих частиц (10^-23 сек) таково, что они не оставляют никаких следов в камере Вильсона. Рождаются и почти сразу же гибнут, пролетев расстояния порядка размера протона (10^-13 см).

Сразу возник естественный вопрос: следует ли эти частицы причислить к уже известному списку элементарных частиц или же нет? С одной стороны, казалось бы, да! Как и обычные частицы, они характеризуются массой, зарядом, временем жизни, спином и т. д. Но... очень уж мало они живут. Можно только удивляться, как ученые вообще сумели обнаружить существование этих объектов. Тем не менее открытие было сделано, и сделано весьма убедительно.

Неуловимое, оказывается, также можно экспериментально обнаружить.

Название частиц: резонансы или резононы - говорит скорее не о природе этих частиц, а как раз о тех методах, с помощью которых они были обнаружены.

Как можно обнаружить неуловимое?

Первая группа резонансных частиц была открыта при изучении рассеяния π-мезонов на нуклонах (протонах и нейтронах). Облучая содержащую водород мишень пучком положительных π-мезонов, ученые обнаружили, что при кинетической энергии π-мезонов в 200 миллионов электрон-вольт они рассеиваются особенно сильно. Наблюдается, как говорят физики, резонанс: число рассеянных мезонов резко возрастает при определенной энергии.

Слово "резонанс", вероятно, вам знакомо. Камертон, на который падает звуковая волна, резонирует, т. е. сильнее всего раскачивается, когда частота звуковых колебаний совпадает с собственной частотой камертона. Такая картина типична для рассеяния волн любой природы.

Вспомним теперь, что в квантовой механике устанавливается простая и общая связь между частотой и энергией. Последняя отличается от частоты лишь на множитель h (постоянную Планка). Значит, на квантовом языке резонанс соответствует тому случаю, когда энергия рассеивающихся частиц (они же и волны согласно корпускулярно-волновому дуализму) совпадает с энергиями, "разрешенными" для рассеивателя.

Нашу аналогию можно проследить довольно далеко. Вот звуковая волна налетает на камертон. Сначала ножки камертона были неподвижны, а теперь начнут колебаться. Если частота звука далека от собственной частоты камертона, то колебания будут слабыми и, не будь внешней подкачки энергии, они сразу же прекратятся. Иное дело в случае резонанса. Здесь уже колебания несравненно более устойчивы. Они заметное время сохранятся, если даже предоставить камертон самому себе. Можно сказать, что резонанс наступает в том случае, когда при рассеянии возникает состояние, которое само по себе относительно устойчиво.

Число частиц

Мы пока еще не располагаем ясным пониманием того, как протекает рассеяние, например, π-мезонов на протонах. Но уже из самого факта существования резонанса с неизбежностью следует, что за тот промежуток времени, в который произошло рассеяние, успело проявить себя какое-то стабильное (относительно стабильное, конечно) образование. Обычно пишут, что рассеяние протекает по схеме:

Словами это читается так: π⁺-мезон сталкивается с протоном, образуется промежуточное состояние N^*++, а затем оно распадается опять на π⁺-мезон и протон. Важнейшей величиной, характеризующей промежуточную систему N^*++, является ее энергия или (в силу уже известного нам соотношения Е = mс²) масса.

Итак, рассеяние выявляет какие-то относительно устойчивые образования, имеющие определенные "параметры" (массу и, как легко понять, заряд и т. д.) и до такой степени подобные "по всем статьям" обычным частицам, что у нас, собственно, нет никаких оснований отказать им в праве на место в обществе последних. Что же представляет собой промежуточное состояние N^*++?

Можно предположить, что пион и протон, не теряя своей индивидуальности, способны образовать систему, напоминающую обычный атом водорода. Это будет "π-мезонный атом", в котором место электрона занимает мезон, а роль кулоновских сил играют ядерные. Как и в обычном атоме, энергия "π-мезонного атома" должна быть квантована, т. е. принимать прерывный ряд значений.

Вероятность образования "атома" и, следовательно, значительного рассеяния π-мезона после распада "атома" будет максимальна в том случае, когда энергия падающего мезона как раз равна энергии "атома". Тогда и наблюдается резонанс.

По ширине резонансной кривой можно оценить время жизни "атома". Здесь на помощь приходит соотношение неопределенности Гейзенберга между энергией и временем. Ширина кривой дает порядок неопределенности энергии "атома" ΔЕ. Его время жизни

Это время оказывается примерно равным 10^-23 сек. Двигаясь со скоростью, близкой к скорости света, мезон за это время пройдет расстояние 10^-13 см, равное как раз размерам области взаимодействия мезона с протоном. Таким образом, время жизни "атома" таково, что π-мезон едва ли успеет совершить один оборот вокруг протона. При таких условиях называть систему атомом можно весьма условно.

С другой стороны, можно предположить, что π-мезон и протон "сливаются" на некоторое время, превращаясь в новую частицу, которая затем опять распадается на π-мезон и протон. Из законов сохранения энергии и импульса легко определить массу этой частицы. Она оказалась равной 1237 миллионам электронвольт, если массу выражать, как это сейчас принято в физике элементарных частиц, в энергетических единицах.

Не предрешая вопроса об истинной природе промежуточного состояния N^*++, физики осторожно назвали его резонансной частицей, чтобы подчеркнуть не вполне ясную природу этого образования.

Где взять мишень?

Когда были открыты резонансы, связанные с рассеянием π-мезонов на нуклонах, почти ни у кого из исследователей не было сомнения в том, что резонансы не являются особенностями только таких систем. И действительно, резонансы удалось обнаружить и в системах типа мезон - гиперон (барионные резонансы). Найдена была также группа мезонных резонансов (π - π, π - К, К - К и т. д.). Однако в этих случаях их уже нельзя обнаружить, изучая рассеяние частиц друг на друге. Ведь невозможно создать мишень, например, из Λ⁰-гиперонов. Гипероны распадаются за время порядка 1(10^-10 секунды. Распадаются также и π-мезоны. Как можно уловить резонансы и в таких системах, покажем на примере резонанса в системе π-мезон - Λ⁰-гиперон.

Если бомбардировать протоны К-мезонами большой энергии, то часто наблюдается реакция, протекающая по следующей схеме:

К-мезон, столкнувшись с протоном, рождает Λ⁰- гиперон и два π-мезона.

Исследовав достаточно большое количество таких реакций, можно найти число π^--мезонов, имеющих определенную энергию. Затем можно построить кривую зависимости числа π^--мезонов от их энергии: так называемый энергетический спектр мезонов. Характер кривой должен зависеть от того, как протекает данная реакция. Допустим, что при реакции все три частицы Λ⁰, π⁺ и π^- рождаются одновременной разлетаются в разные стороны независимо друг от друга. Тогда начальная энергия К^--мезона и протона перераспределяется между рождающимися частицами различными способами. Законы сохранения энергии и импульса однозначно определяют только максимально возможное значение энергии π^--мезона. Энергия способна принимать любые значения: от нуля до максимального.

Энергия частиц

Совсем иначе дело будет обстоять, если Λ⁰-гиперон и π⁺-мезон непосредственно после реакции ведут себя как единое целое. Тогда начальная энергия К^-- и р-частиц распределяется между двумя частицами и законы сохранения энергии и импульса однозначно определяют значение энергий обеих возникающих частиц. Несколько упрощенно говоря, законы сохранения энергии и импульса представляют собой в этом случае два уравнения с двумя неизвестными энергиями рожденных частиц, так как импульс может быть выражен через энергию. При рождении же сразу трех частиц неизвестных было бы три и энергии рожденных частиц однозначно бы не определялись. Экспериментальная кривая имеет резкий выброс при определенной энергии π^--мезона. Значит, в большом числе случаев рождаются не все три частицы одновременно. Сначала рождаются две, а затем одна из них распадается:

Y^*+ - промежуточная система, которая ведет себя как единое целое. Так же, как и N^*++, она называется резонансной частицей. Законы сохранения дают возможность найти ее массу: 1389 миллионов электронвольт. По ширине резонансного выброса можно определить время жизни резонанса Y^*+. Оно оказывается таким же, как и у N^*++.

Наряду с положительно заряженным резонансом Y^*+ есть еще отрицательно заряженный и нейтральный Y^*0. Их массы примерно одинаковы.

Аналогичным способом были обнаружены другие резонансы. Общее их число превышает сейчас две сотни.

Читатель может получить некоторое представление о количестве и достаточно полное - о виде резонансов, ознакомившись с таблицами, помещенными далее. К этим таблицам, однако, нужно сделать некоторые пояснения.

Здесь указаны массы резонансов, их ширина (т. е. величины, обратно пропорциональные временам жизни) и т. д. Однако там не указан заряд. Дело здесь в следующем. Частицы группируются в зарядовые мультиплеты. Члены одного мультиплета имеют близкие массы, но различные заряды. Число частиц в зарядовом мультиплете определяется изотопическим спином. Поэтому в таблицах все резонансы, входящие в один мультиплет, обозначены одним символом, характеризующим целую группу резонансов. Так, для резонанса N^*_1/2 массой 1518 Мэв изотопический спин равен ¹/₂. Это означает, что существует два зарядовых состояния: с зарядом нуль и с зарядом единица. Во второй и третьей колонках таблиц указаны изотопический спин (I), спин (J), четность (Р). Читателя, которому здесь не все ясно, мы просим запастись терпением: дальше все (или почти все) объясняется подробнее.