Страница 29 из 35
Физики, исследовавшие космические лучи в начале 30-х годов, строили догадки (совершенно независимо от теории ядерного поля Юкавы) о существовании частиц тяжелее электрона, но легче протона. Такие частицы с промежуточной массой были нужны для объяснения данных, полученных в процессе исследования космических лучей. В 1935 году, вскоре после того, как была опубликована теория Юкавы, Андерсон (который тремя годами раньше открыл позитрон) занимался исследованием космических лучей на Пайк-Пике (штат Колорадо). В следующем году, изучая полученные фотографии, он обнаружил треки с кривизной, которую следовало бы ожидать от частиц с промежуточной массой. Частица оказалась приблизительно в 207 раз тяжелее электрона. Андерсон назвал ее мезотроном,от греческого слова mesos, что означает промежуточный, но название быстро сократили до слова мезон,которое и стало общепринятым.
Вначале думали, что частица Андерсона является обменной частицей Юкавы, хотя масса ее была меньше, чем предсказывал Юкава. К сожалению, данные противоречили этому. Сама природа ядерного поля предполагала что обменная частица Юкавы должна очень интенсивно и быстро взаимодействовать с любым нуклоном, встречающимся на ее пути. Поэтому она не сможет глубоко проникнуть в вещество, так как первое же встречное ядро поглотит ее. Однако оказалось, что частица Андерсона легко проникает в вещество, проходя, например, сквозь слой свинца значительной толщины. При этом она сталкивается со многими ядрами и не поглощается ими, значит, она не является ядерной обменной частицей.
Горечь разочарования исчезла в 1948 году благодаря работе группы английских физиков, возглавляемой Сеслом Фрэнком Пауэллом, которая изучала космические лучи на больших высотах в Боливийских Андах. Они зарегистрировали частицы, более тяжелые, чем мезоны Андерсона, частицы, имеющие массу приблизительно в 270 раз больше массы электрона.
Новая частица обладала массой, близкой к предсказанной Юкавой, и достаточно интенсивно взаимодействовала с веществом. Ядерной обменной частицей оказался мезон Пауэлла, а не Андерсона. Так была подтверждена теория Юкавы и доказано существование ядерного поля.
Пауэлл назвал свою частицу π-мезоном,а частица Андерсона — первый открытый мезон — впоследствии была названа μ-мезоном.
Со времен были открыты другие типы мезонов и стало очевидно, что все субатомные частицы можно разделить на три группы, а не на две. Кроме лептонов и барионов появились мезоны.
Сильные и слабые взаимодействия
Открытие ядерного поля не разрешило сразу все нерешенные проблемы. Возникло недоумение по поводу времени взаимодействия мезона. Пролетая мимо ядра практически со скоростью света, π-мезон находится все же достаточно близко от него и в течение не более 10 -23 секиспытывает влияние очень короткодействующего ядерного поля. За этот ультракороткий промежуток времени π-мезон тем не менее имеет возможность взаимодействовать с ядром.
Разумно предположить, что все мезонные взаимодействия должны протекать одинаково быстро. В частности, следовало бы ожидать, что π-мезоны и μ-мезоны в свободном состоянии распадутся за время не более 10 -23 сек.Однако изолированный π-мезон распадается на более легкие частицы в течение приблизительно 2,55·10 -8 сек.А изолированный μ-мезон живет еще дольше, распадаясь на более легкие частицы за 2,212 ·10 -6 сек.
Интервалы времени в десяти- и стомиллионные доли секунды кажутся нам предельно короткими, но в субатомных масштабах времени они чрезвычайно велики. Предположим, теория утверждает, что некая частица распадается за одну секунду, хотя обнаружено, что некоторые частицы живут сто миллионов, а другие десять миллиардов лет. Мы были бы удивлены этими огромными временами жизни, не так ли? А ведь время 10 -23 сек,в течение которого, согласно теории, должен жить π-мезон, и 2,55·10 -8 сек,которые он живет в действительности, находятся в таком же отношении друг к другу, как одна секунда и сто миллионов лет.
Необходимо было предположить, что не одно ядерное поле ответственно за все мезонные взаимодействия, а два, одно из которых сильнее другого. Одно поле приводит к сильным взаимодействиям,как, например, взаимодействие π-мезона с ядром, а другое является причиной слабых взаимодействийв ряде распадов π-мезонов и μ-мезонов. Распад нейтрона разумно отнести к слабым взаимодействиям.
Если π-мезон является обменной частицей для сильных взаимодействий, должна, вероятно, существовать обменная частица и для слабых взаимодействий. Ферми разработал теорию слабых взаимодействий, для которой, по-видимому, необходима такая обменная частица. Иногда ее называют w-частицей(от английского слова weak — слабый). Согласно теории, w-частица, по-видимому, имеет большую массу в свободном состоянии. Она намного тяжелее протона, но время жизни ее только 10 -17 сек,что составляет приблизительно одну миллиардную времени жизни π-мезона. Поэтому ее не так-то легко зарегистрировать.
В настоящее время физики различают четыре типа полей, ответственных за все протекающие во Вселенной процессы. Это два ядерных поля: электромагнитное и гравитационное. Ядерное поле сильных взаимодействий — наиболее мощное из всех полей, оно в сотни раз сильнее электромагнитного. Поле слабых взаимодействий в сто миллиардов раз слабее электромагнитного но во много триллионов раз сильнее гравитационного поля. Насколько известно, гравитация остается пока наиболее слабой силой в природе [19].
Тяжелый электрон
В 50-х годах μ-мезон становился все более и более загадочной частицей. В отличие от π-мезона, нужного для устойчивости ядер, он не играет никакой существенной роли, которую физики могли бы понять до конца. Более того, он постепенно теряет свою индивидуальность и становится все более и более похожим на разновидность электрона.
Это может показаться странным, так как наиболее отличительные свойства μ-мезона и электрона совершенно различны. Во-первых, μ-мезон в 207 раз тяжелее электрона, во-вторых, в то время как электрон — стабильная частица, μ-мезон нестабилен, он распадается за 2,212 ·10 -6 сек.
И все же ряд свойств электрона и μ-мезона совпадают:
1) заряд электрона равен -1, а его античастицы, позитрона, + 1. В этом отношении μ-мезон похож на электрон. У него есть две разновидности: отрицательный μ-мезон,который, подобно электрону, имеет заряд -1 и является частицей, и положительный μ-мезон,который, подобно позитрону, имеет заряд +1 и является античастицей. Отрицательный μ-мезон изображается символом μ -, а положительный μ-мезон, являющийся античастицей, символом 'μ +;
2) в природе не существует «нейтрального электрона», т. е. нет незаряженной частицы с массой электрона. Точно так же нет и «нейтрального μ-мезона»;
3) спины электрона и позитрона равны +1/2 или -1/2. Такие же значения имеют спины отрицательного и положительного μ-мезонов.
4) электрон и позитрон никогда не участвуют в сильных взаимодействиях, зато принимают участие в слабых, как и положительный и отрицательный μ-мезоны;
5) наконец, магнитные свойства электрона и позитрона фактически совпадают с магнитными свойствами отрицательного и положительного μ-мезонов.
Важно ли различие в массе и стабильности μ-мезона и электрона, если они во многом так похожи?
Что касается различия в стабильности, им можно вообще пренебречь. Я уже говорил, что в субатомных масштабах время жизни 0,000002212 секчрезвычайно велико. Это время находится в таком же отношении ко времени, характерному для сильных взаимодействий, как десять миллиардов лет к одной секунде. Событие, продолжающееся десять миллиардов лет, практически «вечно» по сравнению с событиями, длящимися одну секунду. Аналогично в субатомных масштабах времени μ-мезон существует практически «вечно», и разница между его временем жизни и действительно бесконечным временем жизни электрона и позитрона незначительна.