Симметрия частиц и зарядов: нейтрон и протон

Драма идей в познании природы

Современная теория рассматривает протон и нейтрон как сложные объекты, состоящие из "более элементарных" составляющих - кварков. Именно свойства кварков и их взаимодействий определяют в конечном счете наблюдаемые свойства протона и нейтрона и их превращений. Только переход к кварковому уровню строения материи позволил выявить единство в описании всех фундаментальных сил природы. Но о кварках будет сказано позже, а исторически первым шагом на пути к такому единству стала попытка единого описания свойств протона и нейтрона.

Нейтрон и протон - различные частицы. У протона есть электрический заряд, у нейтрона его нет. Но во всем остальном эти частицы схожи. Эти частицы имеют спин 1/2. У них близкие массы. И та и другая частица входит в состав ядра. Наблюдаются пары так называемых "зеркальных ядер". Это два разных ядра с одним и тем же полным числом нейтронов и протонов, но число нейтронов одного ядра равно числу протонов второго. (Примеры этих пар ядер: ³H-³He, ¹⁴C-¹⁴O.) У таких разных ядер оказывается очень много общих свойств. Это указывает на сходство сил, действующих на нейтроны и протоны в ядре, и наводит на мысль, что эти частицы в ядре во многом взаимозаменяемы.

Они и в самом деле взаимозаменяемы, что наблюдается в симметрии ядерных реакций, отличающихся заменой нейтрона и протона. Например, ядро ³He (состоящее из двух протонов и нейтронов) отличается от ядра T=³H (состоящего из двух нейтронов и протонов) заменой нейтронов и протонов. Эти ядра - зеркальные. И в ядерных реакциях их образования наблюдается много сходных черт. Так, очень схожи реакции D+D®T+p и D+D®³He+n.

Более того, наблюдается и симметрия бета-распадов зеркальных ядер. В зависимости от энергии возможны либо бета⁺-, либо бета^--распады. В первом случае в ядре происходит превращение p®n, во втором n®p. В этих превращениях также наблюдается определенная симметрия. Например, в распадах ¹²B и ¹²N: ¹²B®¹²C+e^-+v^- и ¹²N®¹²C+e^-+v^-.

Однако полной симметрии все же нет. Наблюдают распад T®³He+e+v, а ядро ³He стабильно и в ядро трития Т не превращается. Наблюдают распад свободного нейтрона n®p+e+v^-, но не распад свободного протона. Это нарушение симметрии связано с тем, что свободный нейтрон немного тяжелее свободного протона. Поэтому, например, ядро Т (состоящее из двух нейтронов и одного протона) чуть тяжелее ядра ³He, состоящего из одного нейтрона и двух протонов.

Есть также различие в электрическом заряде нейтрона и протона. Оно вызывает различие в действующих на протон и нейтрон силах. На протон дополнительно действует еще и кулоновская сила, а на нейтрон - нет. В смысле ядерного взаимодействия протон и нейтрон ведут себя как одна и та же частица. Удобно считать их одной и той же частицей ядра - нуклоном (от латинского nucleus - "нуклеус" - ядро), но в разных зарядовых состояниях. Нуклон в состоянии с электрическим зарядом +1 мы называем протоном, а нуклон в состоянии с электрическим зарядом 0 - нейтроном.

Возникает аналогия. У электрона два разных спиновых состояния: состояние с направлением спина вниз и состояние с направлением спина вверх (или вправо и влево). Это одна и та же частица - электрон. Но у нее два разных состояния. По этой аналогии мы можем сказать, что есть одна и та же частица - нуклон - и у нее два разных состояния, подобных двум разным спиновым состояниям. Спиновые состояния - это состояния с различным направлением спина в обычном пространстве. У нуклона разные зарядовые состояния, будем называть их состояниями с разными направлениями спина в зарядовом пространстве.

То, что мы назвали протоном, есть состояние нуклона со спином вверх в зарядовом пространстве. То, что мы назвали нейтроном - состояние нуклона со спином вниз в этом пространстве. Для спина в зарядовом пространстве было придумано неудачное название изотопический спин. Неудачное потому, что напоминает про изотопы - ядра с одинаковым зарядом и разными массовыми числами (разным числом нуклонов). В действительности протон и нейтрон - простейший пример так называемых изобар - ядер с одинаковым массовым числом, но разными зарядами. Чтобы избежать неудачной аналогии с изотопами, изотопический спин называют сокращенно "изоспин". Можно было бы говорить "изобарический спин", но это слово сочетание не привилось.

Гипотеза об изоспине снова приводила к экономии в числе независимых частиц. До открытия нейтрона была только одна элементарная частица ядра - протон. Но оказалось, что есть две равно фундаментальные частицы ядра - протон и нейтрон. Если же ввести изоспин, мы снова остаемся с одной элементарной частицей ядра - нуклоном. Просто у нуклона два разных изоспиновых состояния, состояние "изоспин вверх", которое было обнаружено первым и названо протоном, и состояние "изоспин вниз", которое нашли только в 1932 году и назвали нейтроном.

В отсутствие магнитного поля у электрона имеются два разных спиновых состояния, но мы не знаем, в каком именно состоянии он находится - он может находиться в одном состоянии, а может и в другом. У электрона появляется спиновая степень свободы.

Так и у нуклона, не учитывая разности масс протона и нейтрона и не включая электрического поля, нельзя сказать, в каком именно "изоспиновом" состоянии он находится. Нельзя сказать, протон это или нейтрон. У нуклона имеется изоспиновая степень свободы.

Изоспиновая симметрия приближенная: массы нейтрона и протона отличаются на 0,13 процента. Наличие электрического заряда у протона нарушает симметрию энергии в нуклонных системах с несколькими протонами. Важнейшую роль изоспин (как и спин электрона в строении атома и в химии) играет при применении принципа Паули. На одной и той же орбите атома могут находиться два электрона с полностью скомпенсированными спинами. Суммарный спин их должен быть строго равен нулю, независимо от того, как они направлены: вертикально или горизонитально, принцип Паули требует, чтобы направления спинов электронов были противоположными.

Аналогично в случае изоспина происходит заполнение ядерных оболочек. Только здесь, помимо спиновой степени свободы в "обычном" пространстве, появляется еще и изоспин, то есть изоспиновая степень свободы в зарядовом пространстве. На одном и том же энергетическом уровне ядра два нуклона могут находиться только с полным спином или изоспином равными нулю. Поэтому принцип замены нейтрона на протон ограничен принципом Паули.

Полное число различных состояний нуклона равно 4 (2 различных спиновых и 2 различных изоспиновых состояния). Ядерная система, в которой заполнены все эти четыре состояния, максимально упакована и обладает наибольшей энергией связи, приходящейся на нуклон. Такой системой, в которой все нуклоны находятся в основном энергетическом состоянии, является ядро ⁴He - альфа-частица.

Переворот спина электрона в обычном пространстве есть квантовый переход из состояния со спином вниз в состояние со спином вверх. Переворот изоспина нуклона в зарядовом пространстве - это квантовый переход нуклона на состояния "изоспин вниз" в состояние "изоспин вверх". Нуклоны в состоянии "изоспин вниз" - это нейтроны; в состоянии "изоспин вверх" - протоны. Переворот изоспина нуклона - это превращение нейтрона в протон.

На языке квантовой теории поля переворот спина электрона есть процесс, в котором электрон в состоянии "спин вниз" уничтожается, а электрон в состоянии "спин вверх" рождается. Это превращение может происходить, например, в электромагнитном поле. При таком переходе может рождаться электромагнитный квант.

Перевороту изоспина нуклона - уничтожению нейтрона и рождению протона тоже можно сопоставить какое-то поле. Поле взаимодействия, вызывающего такое превращение. Переворот спина электрона отвечает взаимодействию с квантом электромагнитного поля. В этом квантовом переходе электрический заряд частицы, испытывающий квантовое превращение, не меняется: был электрон и остался электрон. Квант электромагнитного поля взаимодействует с зарядом, но сам заряда не несет. Электромагнитный квант - электрически нейтральная частица. Поле, соответствующее электромагнитным квантам, само электронейтрально.

При перевороте изоспина нуклона его заряд меняется: был электрически нейтральный нуклон, остался положительно заряженный протон. И родился квант поля, связанного с таким превращением. Квант, который уносит отрицательный электрический заряд. Поле, связанное с превращением нейтрона в протон, электрически заряженное. Его кванты несут электрический заряд. Это совсем другое поле, в чем-то похожее на электромагнитное, но не электромагнитное. (Аналогия неполная, закон взаимодействия не в точности одинаков, сильно различаются и свойства самих квантов. Однако обо всем этом позже, чтобы не отвлекаться от главного.)

Теперь процессы слабого взаимодействия действительно описываются аналогично электромагнитным процессам. Например, электромагнитный процесс рождения электрон-позитронной пары в квантовом переходе между протонами ядра происходит в два этапа. На первом уничтожается протон в начальном состоянии, рождаются протон в конечном состоянии и электромагнитный квант. На втором электромагнитный квант уничтожается, порождая пару электрон-позитрон. Процесс бета-распада происходит аналогично в два этапа. На первом уничтожается нейтрон, рождается протон и квант слабого поля W^-. На втором этапе квант W^- уничтожается, порождая пару электрон-антинейтрино.

Поле W отличается от электромагнитного не только зарядом. Квант электромагнитного поля - фотон - безмассовая частица. Квант W-поля - W-бозон обладает массой почти в 100 раз большей, чем масса протона. Из-за большой массы W-бозона слабое взаимодействие происходит на очень малых даже по сравнению с размером ядра расстояниях. Это выделяет очень малую область, в которой происходят бета-процессы, отсюда и "слабость" слабого взаимодействия. Электромагнитные волны распространяются на большие расстояния. Из-за большой массы W-бозонов W-поле действует на расстояниях, меньших 10^-16 сантиметра. Такое короткодействие W-взаимодействия приводит к тому, что при малых по сравнению с m_Wc² энергиях вызываемые им процессы оказываются на 10-20 порядков менее вероятными, чем процессы ядерного (сильного) или электромагнитного взаимодействия, если последние возможны.

Между n и p действуют разные силы, разные поля. Мы рассматриваем сейчас те поля, которые связаны с превращением p«n в бета-распадах и похожи на электромагнитное поле. В строении ядра, в энергии связи они совсем не главные!

Развитие идеи симметрии между нейтроном и протоном привело к единой теории слабого и электромагнитного взаимодействия. Но главные силы между нуклонами в ядрах связаны с сильным взаимодействием. Какова же природа ядерных сил?

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год