Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения — главный факт их существования.

Превращения элементарных частиц ученые наблюдали при столкновениях частиц высоких энергий. Представления о неизменности элементарных частиц оказались несостоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась. Элементарные частицы уже далее неделимы, но они неисчерпаемы по своим свойствам. Вот что заставляет так думать.

Пусть у нас возникло естественное желание исследовать, состоит ли, например, электрон из каких-либо других субэлементарных частиц. Что нужно сделать для того, чтобы попытаться расчленить электрон? Можно придумать только один способ. Это тот же способ, к которому прибегает ребенок, если он хочет узнать, что находится внутри пластмассовой игрушки, — сильный удар.

Разумеется, по электрону нельзя ударить молотком. Для этого можно воспользоваться другим электроном, летящим с огромной скоростью, или какой-либо иной движущейся с большой скоростью элементарной частицей.

Современные ускорители сообщают заряженным частицам скорости, очень близкие к скорости света.

Что же происходит при столкновении частиц сверхвысокой энергии? Они отнюдь не дробятся на нечто такое, что можно было бы назвать их составными частями. Нет, они рождают новые частицы из числа тех, которые уже фигурируют в списке элементарных частиц. Чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем большее количество частиц рождается. При этом возможно появление частиц с большей массой, чем сталкивающиеся частицы. Главное, что надо отметить, —это то, что всегда выполняется закон сохранения энергии.

На рисунке 14.1 вы видите результат столкновения ядра углерода, имевшего энергию 60 млрд эВ (жирная верхняя линия), с ядром серебра фотоэмульсии. Ядро раскалывается на осколки, разлетающ,иеся в разные стороны. Одновременно рождается много новых элементарных частиц — пионов. Подобные реакции при столкновениях релятивистских ядер, полученных в ускорителе, впервые в мире осуществлены в лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований в г. Дубне под руководством академика А. М. Балдина. Лишенные электронной оболочки ядра были получены путем ионизации атомов углерода лазерным лучом.

Возможно, конечно, что при столкновениях частиц с недоступной пока нам энергией будут рождаться и какие-то новые, еще неизвестные частицы. Но сути дела это не изменит. Рождаемые при столкновениях новые частицы никак нельзя рассматривать как составные части частиц-«родителей». Ведь «дочерние» частицы, если их ускорить, могут, не изменив своей природы, породить, в свою очередь, при столкновениях сразу несколько таких же в точности частиц, какими были их «родители», да еще и множество других частиц.

Итак, по современным представлениям, элементарные частицы — это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Однако неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя структура.

Этап третий. От гипотезы о кварках (1964 г.) до наших дней. (Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру.) В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все частицы, называемые сейчас элементарными, полностью оправдывают это название. Основание для сомнений простое: этих частиц очень много.

Открытие новой элементарной частицы всегда составляло и сейчас составляет выдающийся триумф науки. Но уже довольно давно к каждому очередному триумфу начала примешиваться доля беспокойства. Триумфы стали следовать буквально друг за другом.

Была открыта группа так называемых странных частиц: К-мезонов и гиперонов с массами, превышающими массу нуклонов. В 70-е гг. к ним прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных очарованными.

Кроме того, были открыты короткоживущие частицы с временем жизни порядка 10^-22—10^-23с. Эти частицы были названы резонансами, и их число перевалило за двести.

Вот тогда-то (в 1964 г.) М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях, — адроны — построены из более фундаментальных (или первичных) частиц — кварков.

Кварки имеют дробный электрический заряд и Протоны и нейтроны состоят из трех кварков.

В настоящее время в реальности кварков никто не сомневается, хотя в свободном состоянии они не обнаружены и, вероятно, не будут обнаружены никогда. Существование кварков доказывают опыты по рассеянию электронов очень высокой энергии на протонах и нейтронах. Число различных кварков равно шести. Кварки, насколько сейчас известно, лишены внутренней структуры и в этом смысле могут считаться истинно элементарными.

Легкие частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называются лептонами. Их тоже шесть, как и кварков (электрон, три вида нейтрино и еще две частицы — мюон и тау-лептон с массами, значительно большими массы электрона).

Кварки и лептоны — истинно элементарные частицы.

ОТКРЫТИЕ ПОЗИТРОНА. АНТИЧАСТИЦЫ

Существование двойника электрона — позитрона — было предсказано теоретически английским физиком П. Дираком в 1931 г.

Одновременно он предсказал, что при встрече позитрона с электроном обе частицы должны исчезнуть, породив фотоны большой энергии. Может протекать и обратный процесс — рождение электронно-позитронной пары, например при столкновении фотона достаточно большой энергии (его масса должна быть больше суммы масс покоя рождающихся частиц) с ядром.

Спустя два года позитрон был обнаружен с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле. Направление искривления трека частицы указывало знак к ее заряда. По радиусу кривизны и энергии частицы было определено отношение ее заряда к массе. Оно оказалось по модулю таким же, как и у электрона. На рисунке 14.2 вы видите первую фотографию, доказавшую существование позитрона. Частица двигалась снизу вверх и, пройдя спинцовую пластинку, потеряла часть своей энергии. Из за этого кривизна траектории увеличилась.

Процесс рождения пары электрон — позичрон -квантом в свинцовой пластинке показан на фотографии, приведенной на рисунке 14.3. В камере Вильсона, находящейся в магнитном поле, пара оставляет характерньгй смед и виде двурогой вилки.

Исчезновение (аннигиляция) одних частиц и появление других при реакциях между элементарными частицами является именно превращением, а не просто возникновением новой комбинации cocтавныx частей старых частиц. Особенно наглядно обнаруживается это при аипигиляции пары электрон — позитрон. Обо частицы обладают определенной массой в состоянии покоя и электричсекими зарядами. Фотоны же, которые при этом рождаются, не имеют зарядов и не обладают массой покоя, так как не могут существовать в состоянии покоя.

В свое время открытие рождения и аннигиляции электронно-позитронных пар вызвало настоящую сенсацию в науке. До того никто не предполагал, что электрон, старейшая из частиц, важнейший строительный материал атомов, может оказаться не вечным. Впоследствии двойники — античастицы — были найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам именно потому, что при встрече любой частицы с соответствующей античастицей происходит их аннигиляция. Обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

Сравнительно недавно обнаружены антипротон и антинейтрон. Электрический заряд антипротона отрицателен.

Сейчас хорошо известно, что рождение пары частица— античастица и их аннигиляция не составляют монополии электронов и позитронов.

Атомы, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка — из позитронов, образуют антивещество. В 1969 г. в нашей стране был впервые получен антигелий.

При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в кинетическую энергию образующихся -квантов.

Энергия покоя — самый грандиозный и концентрированный резервуар энергии во Вселенной. И только при аннигиляции она полностью высвобождается, превращаясь в другие виды энергии. Поэтому антивещество — самый совершенный источник энергии, самое калорийное «горючее». В состоянии ли будет человечество когда-либо это «горючее» использовать, сейчас сказать трудно.

Можно надеяться, что недалеко то время, когда будет решена основная задача физики элементарных частиц и всей физики вообще. Будет получен спектр масс элементарных частиц и будет выяснено, чем определяются значения электрического заряда и других констант взаимодействия.

55 вопрос