Странные времена - странные частицы

Драма идей в познании природы

Частица, открытая в 1937 году в космических лучах, была названа мезоном. Ее можно было бы назвать мезоном из-за "промежуточного" (между электроном и нуклоном) значения ее массы. Но эта частица не обладала ядерным взаимодействием. Она взаимодействовала с ядрами только потому, что была электрически заряженной. Она взаимодействовала с ядрами как электрон - за счет электромагнитного взаимодействия, а также (снова наподобие электрона) путем слабого взаимодействия. Был открыт мюон m^- - старший брат электрона. Как у электрона, у мюона m^- была античастица m⁺. Позже было установлено, что с мюоном связано свое, мюонное нейтрино. Электрон, мюон, нейтрино (v_e, v_m) и их античастицы составили отдельное семейство лептонов.

В дальнейших исследованиях взаимодействия космических лучей историческая ошибка была исправлена и был открыт настоящий мезон, p-мезон. Именно та частица, которую предсказывала мезонная теория. Выяснилось, что заряженный p-мезон распадается на мюон и нейтрино. Поэтому-то в космических лучах в поисках частицы p и открыли частицу m - продукт распада p. Был открыт и предсказывавшийся мезонной теорией p⁰-мезон, распадающийся на 2 гамма-кванта.

Кроме "тяжелого электрона" - мюона, появились "тяжелые мезоны" - К-мезоны и "тяжелые нуклоны" - гипероны. Изучая процессы рождения К-мезонов в первых ускорителях частиц, физики обнаружили странную закономерность. К-мезоны всегда рождались в паре с гиперонами или со своими античастицами (анти-К-мезонами).

К-мезоны и гипероны названы странными частицами и их странность стали измерять количественно, приписывая, например, К⁺- и К⁰-мезонам странность +1, а S- и L-гиперонам - странность -1, а X-гиперонам - странность -2. Странность мезонов и нуклонов предполагалась равной 0, странность античастиц должна была быть противоположной странности частиц. Странная частица могла родиться в процессе столкновения частиц с нулевой странностью (нуклонов или p-мезонов с нуклонами) только в паре со странными частицами с противоположной странностью. Тогда странность начального и конечного состояния реакции не меняется: была нулевая, нулевой и осталась.

Нестабильность была общим свойством новых тяжелых частиц. Но анализ их наблюдаемых времен жизни показывал, что скорей надо удивляться их замечательной стабильности. Времена жизни странных частиц (10^-8-10^-10 секунды) были очень большими по сравнению со временем жизни (10^-23 секунды) частиц-резонансов, обнаруженных при анализе распределения по энергиям образующихся в реакциях мезонов и нуклонов. Например, измеряя зависимость от полной суммарной энергии (включающей и энергию покоя) вероятности образования p-мезона и нуклона, наблюдали картину, подобную резонансным кривым в теории колебаний. Аналогично резкому возрастанию амплитуды колебаний при определенной частоте при энергии вблизи 1240 мегаэлектронвольт вероятность образования p-мезона и нуклона резко возрастала. Наблюдался резонансный пик. Подобные резонансные пики наблюдались и в системе двух p-мезонов, и в системе трех p-мезонов. Эти пики отвечали рождению и быстрому распаду частиц-резонансов.

Такие частицы по традиции называли элементарными. Но исследования их свойств наталкивали на более реалистическую и простую картину. Снова - как в атомах и молекулах - на идею составных частиц.

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год