Техника - молодёжи 1958-08, страница 37

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ

Рис. Е. БОРИСОВА и Б. БОССАРТА

ГЕЛЛ-МАНН и Е. РОЗЕНБАУМ

(П родолжение)

Bofyuu Jmmu

Iff ы должны отметить две особенности реакций между частицами, особенности, которые, по-видимому, следует принять в виде общих законов. Первая—р е а к ц и и : 6 рати мы: если некоторая частица распадается на две дру-то следует ожидать, что эта пара частиц может, в свою «средь, образовывать исходную частицу. Вторая особен-. сть — испускание частицы связано с поглощением соответствующей античастицы: зная ироятность испускания одной частицы, мы тем самым можем глсчитать вероятность поглощения другой частицы. Для примера рассмотрим процесс бета-распада (см. реакции 1—3 I таблице). Так как нейтрон превращается в протон, испуская

* ектрон и антинейтрино, то мы должны ожидать обратную , -еакцию, в которой протон поглощает электрон и антинейтри-

превращаясь в нейтрон (реакция 2). Далее, поскольку помещение электрона соответствует испусканию антиэлектрона, *.- есть позитрона, то мы должны обнаружить и такую реак-в которой протон поглощает антинейтрино и испускает знтрон, опять-таки превращаясь в нейтрон (реакция 3). Эта

• эследняя реакция оказалась одной из тех, в которых нейтри-■ было обнаружено экспериментально.

. аким образом, эти правила устанавливают «алгебру», с помощью которой можно «решать задачи» в физике частиц.

Посмотрим, как пользоваться этой алгеброй на простом химере — распада пиона. Экспериментально было обнаруже-»о. что нейтральный пион распадается на пару фотонов за весьма малый промежуток времени, порядка 10 ~³⁶ сек. Допус--иы, что мы хотим выяснить, почему должно быть именно так .реакции 4—8). Начнем с основной реакции, происходящей : пионами, — реакции Юкавы, в которой нуклон — для опре-хеленности скажем: протон — испускает виртуальный пион. Что будет происходить с пионом дальше? Нам удобнее иметь равнение, которое начинается с нейтрального пиона. Обращая «равнение 5 и совершая при этом переход от частиц к античастицам (будем называть этот процесс транспозицией *1стнц), мы приходим к нужному нам уравнению (реакция 6), ■оторое указывает на то, что пион превращается (виртуально) а пару протон — антипротон. Эта пара аннигилирует, в результате чего должна образоваться пара фотонов. Тем самым мы приходим к окончательному результату: нейтральный пион распадается на два фотона.*

Тому, кто впервые сталкивается с подобными рассуждениями, •та последовательность выводов может показаться обыкновенной перетасовкой символов. Но каждая такая перетасов-,. ча дает в конце концов достаточно точные предсказания того, что должно произойти, как долго это будет продолжаться и так далее.

И все же наши сведения об элементарных процессах в целом настолько неполны, что даже безукоризненная цепь рассуждений может привести к ошибочным выводам.

Ающ

^Т РУД^но

и^ию Д^л

наити лучшую иллюстра-ля этого утверждения, чем распад заряженного пиона. Используя наши основные реакции и правила, мы могли бы «доказать», что положительный пион должен распадаться на позитрон и нейтрино (реакции 9—

ЧАСТИЦЫ

14). Но если даже эта реакция и происходит, она столь редка, что ее невозможно наблюдать. Как же тогда на самом деле распадается положительный пион? Оказывается, что он выбрасывает нейтрино и совершенно новую частицу: мюо н!

Здесь мы столкнулись с изысканным коварством природы. Она подкинула нам частицу, у которой, с точки зрения теоретической физики, не было никаких прав и которую использовать разумным способом не представлялось возможным. Мюон является подкидышем, найденным на пороге дома. Ситуация еще более осложнилась благодаря неудачному историческому стечению обстоятельств, которые в течение долгого времени сделали невозможной даже классификацию этой частицы. Мюон был обнаружен раньше пиона, и все считали, что это и есть тот самый мезон, который предсказал Юкава. Но этой роли его свойства совсем не соответствовали. Совершенно явно он не испытывал сильного взаимодействия с нук-лонами и поэтому не мог быть носителем поля ядерных сгл. Таким образом, до открытия пиона мюон имел еще меньше смысла, чем он имеет сегодня.

Сегодня же, когда мы знаем, чем мюон не должен быть, мы можем по крайней мере принимать его за то, что он есть на самом деле. Мюон представлен как положительно, так и отрицательно заряженной частицей (отрицательный пион распадается на отрицательный мюон и антинейтрино). Его масса составляет около 207 электронных масс, а спин его равен V2 (следовательно, он является фермионом). Время его жизни равно примерно 10~⁶ сек., а в результате его распада возникают электрон, нейтрино и антинейтрино. Положительный мюон должен, конечно, производить положительный электрон, то есть позитрон, отрицательный мюон — отрицательный электрон. Оба эти мюона являются античастицами относительно друг друга.

Хотя существование мюона ни в какой степени не следует из теории 12 частиц (более того, его наличие показало, что эта теория не полна, а может быть, даже и не верна), он может быть связан с другими частицами. Для того чтобы обнаружить эту связь, мы должны вновь посмотреть на наши основные процессы — процесс Дирака в электромагнитном взаимодействии, процесс Юкавы при ядерном взаимодействии, процесс Ферми при бета-распаде. Оказалось, что эти процессы резко различаются по своей «силе». Процесс Юкавы известен как процесс сильного взаимодействия; он ответствен за мощные силы, которые связывают нуклоны в единое ядро. Электромагнитные силы примерно в 137 раз слабее ядерных сил. Другим признаком процесса является средняя скорость его протекания. Сильные взаимодействия настолько быстры, насколько это вообще возможно. Испускание и поглощение пиона происходит примерно за 10~^2У сек., что приблизительно равно времени, необходимому, чтобы световой луч прошел расстояние, равное диаметру нуклона. Электромагнитные процессы происходят, естественно, в 137 раз медленнее.

Ферми-взаимодействие несравненно слабее всех остальных, а именно в 10¹⁴ раз слабее ядерного взаимодействия.

Все процессы, включающие в себя нейтрино (бета-распад, распад пионов и мюонов), примерно одинаково слабы. Таким образом, мюон принимает участие в слабом взаимодействии (имея заряд, он принимает, конечно, участие и в электромагнитном взаимодействии). Поскольку мюон является легким фермионом, представляется разумным сгруппировать его вместе с электроном и нейтрино. Но один только взгляд в таблицу, где указаны времена жизни частиц («Техника — молодежи» № 7, 1958 г.), позволяет сказать, что распады, которые мы считали одинаково слабыми, имеют различные времена жизни. Значит, скорость распада определяется не только силой, а зависит еще и от энергии, необходимой, чтобы вызвать реакцию. В случае нейтрона, среднее время жизни которого составляет около 18 мин., вероятность получить необходимое

зз