Странные экспонаты

Составленный физиками список двух сотен элементарных кирпичиков материи напоминал гербарий человека, незнакомого с систематикой растений. Этот горе- ботаник, придавая абсолютное значение любым различиям между растениями, отвел бы отдельное место каждому из собранных им экспонатов.

Заслуга Карла Линнея, создателя систематики растений, состояла не только в выборе главных признаков принадлежности растений к определенному виду, но и в указании тех различий, которыми можно пренебречь при объединении видов в семейства, а семейств в отряды.

Но можно ли создать систематику элементарных частиц? Какой именно разницей между частицами можно пренебречь для объединения их в группы?

Физики, правда, уже знали, что в сильных взаимодействиях, между протоном и нейтроном, протона с протоном и нейтрона с нейтроном нет никакой разницы. Между этими парами частиц действуют одинаковые силы.

Все эти экспериментальные факты и подсказали Гейзенбергу плодотворную идею. Он первый догадался, что если не обращать внимания на положительный электрический заряд протона и на отсутствие заряда у нейтрона, то их можно принять за одну и ту же частицу - ведь в ядерных взаимодействиях они совершенно идентичны.

Так же, как в сумерках все предметы кажутся одинаково серыми, так несколько тускнеет пестрота элементарных частиц, если не обращать внимания на электромагнитные отношения между ними. Для протона и нейтрона будет вполне достаточно одной "нуклонной" краски, а для трех пи-мезонов с разными электрическими зарядами - одной "пи-мезонной".

Рассчитавшаяся на "первый-второй" и на "первый-второй-третий"- неупорядоченная "толпа" элементарных частиц приобрела уже некоторую структуру. И даже этот не такой уж большой шаг к систематике помог теоретикам. Они сразу же установили некоторые соотношения между вероятностями процессов, происходящих с участием частиц одной и той же группы.

Но в то время еще не были открыты "странные" частицы и резонансы. С их появлением "гербарий" элементарных частиц чудовищно распух. И вот тогда-то, в 1960 году ученики Сакаты впервые доложили делегатам Международной конференции о гораздо более общей закономерности, существующей среди элементарных частиц. Анализируя модель своего учителя, они обнаружили нечто вроде периодического закона для фундаментальных кирпичиков материи. А год спустя, опираясь на это достижение, два физика - М. Гелл-Манн и Ю. Нееман - независимо друг от друга предложили систематику элементарных частиц, включив в нее и резонансы. На основе этой систематики удалось?

все сильно взаимодействующие частицы собрать в несколько больших групп.

М. Гелл-Манн дал своей систематике поэтичное название - "восьмеричный путь". Почему восьмеричный? Да потому, что в нем производились действия над восемью квантовыми числами. А также потому, шутя говорил М. Гелл-Манн, что "она напоминает афоризм, приписываемый Будде: "Да, братья, существует святая истина, помогающая укротить страдания: это благородные, восемь путей, именно: верные взгляды, верные намерения, верные речи, верные действия, верный образ жизни, верные попытки, верные заботы, верное сосредоточение".

Предложенная М. Гелл-Манном и Ю. Нееманом классификация, без всякого сомнения, "укротила страдания" физиков. Хаос был ликвидирован. Однако вопрос, насколько "верна" эта попытка, продиктованная самыми "верными" намерениями, оставался открытым.

После работ М. Гелл-Манна и Ю. Неемана появились и другие варианты ликвидации хаоса, казавшиеся своим авторам не менее "благоразумными".

Сложилась странная ситуация. С одной стороны, многие в то время считали создание систематики фундаментальных частиц неперспективным направлением в физике. Сторонники строгой теории считали это занятие недостойным настоящего ученого.

С другой стороны, усилившийся поток теоретических работ на эту тему вызвал даже "испуг и настороженность" в ряде научных журналов. Создалось впечатление, что "при свете дня теоретики склонны отзываться об этом направлении иронически, а в тиши ночей пишут о нем работы, число которых растет экспоненциально".

Как бы то ни было, но все больше физиков вовлекалось в "конкурс" на лучший "гербарий" элементарных частиц. Научная атмосфера в физике высоких энергий становилась все напряженнее. Какой вариант будет признан лучшим? Что скажет самое объективное и справедливое "жюри" - эксперимент?

А он пока молчал. Молчал, как мудрец, задумавшийся над сложной задачей. Воспользовавшись этим обстоятельством, поговорим пока о том, чего же ждали от эксперимента авторы "восьмеричного пути".

Пропустив свою идею через "математические операции", разработанные еще в XIX веке норвежским математиком Софусом Ли и поэтому названные алгеброй Ли,они получили четкий план "построения" фундаментальных частиц. Частицам предписывалось выстроиться в группы из трех, из восьми и из десяти членов. Причем в одну и ту же группу попадали частицы с определенными квантовыми числами.

Когда нуклоны, мезоны и резонансы разбросали по этим группам, оказалось, что, кроме целиком пустой группы из трех, в группе из десяти тяжелых частиц одно место также пустует. Кого же не хватает?

Кто интересовался историей составления Д. Менделеевым своей периодической таблицы элементов, тот знает, что она включала и пустые места для еще не открытых веществ. Причем свойства этих элементов были уже предсказаны Дмитрием Ивановичем.

С помощью правил, которым подчиняются разделенные на группы частицы, нетрудно было установить, что недоставало самой тяжелой частицы из десятка сограждан микромира. Незнакомку назвали омега-минус-гиперон и написали ее "портрет" - массу и квантовые числа, - который оказался впоследствии очень близким к оригиналу.

Найденная упорядоченность помогла связать друг с другом явления, в которых теория не находила ничего общего, и вычислить вероятности ядерных реакций с участием частиц одной и той же группы. Впервые удалось с большой точностью теоретически вычислить очень важное для понимания свойств частиц отношение магнитных моментов нейтрона и протона.

И все-таки, несмотря на эти успехи, "дырка", зияющая в десятке тяжеловесов, создавала неуверенность в правильности самой классификации. Экспериментаторы буквально с "портретом" в руках усиленно искали омегу-минус-гиперон. "Если она будет найдена, - писал в то время М. Гелл-Манн, - то правильность восьмеричного пути будет в сильнейшей степени подтверждена".

Однако главный недостаток новой систематики, как казалось всем, заключался в другом. Если на открытие омега-минус-гиперона еще можно было надеяться, то заполнить еще целую пустую группу из трех частиц не представлялось возможным.

И дело было вовсе не в том, что не хватало еще трех частиц. История физики высоких энергий свидетельствовала, что этот недостаток восполним, надо только подождать. Ситуация была значительно сложнее. Математическая логика восьмеричного пути зарезервировала эти места для совершенно необычных граждан микромира.

Все частицы, с которыми физикам приходилось иметь дело, были или нейтральны, или имели заряд, равный заряду электрона. И вдруг открылась вакансия для частиц с дробным зарядом!

Претендентами на эти места могли быть частицы с зарядом, равным 1/3 и 2/3 электронного. Почти никто не сомневался в абсурдности такого предсказания. Отсутствие омега-минус-гиперона и явная нелепость предсказания группы из трех частиц с дробными электрическими зарядами значительно снижали шансы восьмеричного пути.

В этих сложных условиях М. Гелл-Манн (и независимо от него Цвейг) сделал ход, аналогичный тому, который сделал Тур Хейердал для доказательства своей теории заселения островов Полинезии. Изучив остатки древней культуры Полинезии, Тур Хейердал пришел к выводу, что острова были заселены не из Азии, как утверждалось ранее, а выходцами из Южной Америки. Противники теории Тура Хейердала утверждали, что без навигационных приборов, без предназначенных для дальнего плавания судов невозможно преодолеть огромную водную пустыню Тихого океана. И тогда Тур Хейердал, веря в свою гипотезу, построил плот из бальсовых деревьев и доказал, что на нем можно преодолеть это расстояние. Тем самым он обратил себе на пользу главный аргумент своих противников.

Глубоко веря в свою систематику, М. Гелл-Манн предположил, что необычные частицы с дробным зарядом не только существуют в природе, но именно из них "сделаны" все остальные, включая и недостающую.

Так соединил он несходившиеся "концы" своей теории. А, вероятно, ту долю сомнений и неуверенности, которая еще оставалась в его душе, он вложил в название этих частиц, взятое из научно-фантастического романа.