Как квантовая механика изменила представление об устройстве атома? Какие элементарные частицы были обнаружены в космических лучах? Какие существуют подходы к классификации элементарных частиц? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Дмитрий Казаков.

Элементарные частицы — интуитивно понятно, что это означает, — это что-то самое элементарное, что нельзя расколоть на части, нельзя найти, из чего эти частицы состоят. Исторически это понятие менялось. Самыми элементарными частицами когда-то считались атомы, потому что еще со времен древних греков было понятно, что мир состоит из каких-то мельчайших элементов, и такими элементами считались атомы.

Это продолжалось до тех пор, пока мы не смогли попасть внутрь атома. Примерно сто лет назад Резерфорд, бомбардируя альфа-частицами тонкую фольгу, обнаружил, что атомы пустые, что в середине атома находится то, что после стали называть атомным ядром, которое примерно в 1000 раз меньше, чем атом. Тогда можно было сказать, что элементарные частицы — это атомные ядра. Но кроме атомных ядер, которые имеют электрический заряд, а атомы заряда не имеют, должно было быть что-то еще, и это что-то еще получило название электрон. Так получились две элементарные частицы: ядро и электрон.

Это был не конец. Довольно скоро стало понятно, что ядра различных атомов на самом деле состоят из чего-то еще, что это не единые объекты, которые можно считать элементарными. Примерно в 30-х годах прошлого века Гейзенберг в Германии и Иваненко в России выдвинули гипотезу, что ядра состоят из двух элементарных частиц: протона и нейтрона. Получилось уже три элементарные частицы: протон, нейтрон и электрон.

Долгое время так и было, но за это время родилась квантовая механика — наука, которая объяснила, как устроен атом, почему электрон, вращаясь по стационарным орбитам вокруг ядра, не падает на это ядро. По законам классической физики электрон как электрически заряженная частица должен был все время испускать свет, терять энергию и очень быстро упасть на ядро. Этого не происходит, и причина этого оказалась в том, что электрон подчиняется законам квантовой механики.

Три элементарные частицы: протон, нейтрон и электрон — вроде бы образовывали весь мир, который мы видим перед собой. Но возник естественный вопрос: почему они не разлетаются в разные стороны, почему два протона, которые имеют положительный заряд, не разлетаются в разные стороны под действием кулоновских сил, почему они так накрепко связаны с нейтронами в ядре? И другой вопрос: если эти частицы элементарные и если они ни из чего не состоят и с ними ничего не может произойти, то, следовательно, они должны жить вечно.

Нейтрон, как оказалось, распадается, и довольно быстро, причем распадается на протон, электрон и еще что-то неуловимое. Это неуловимое было замечено по недостающей энергии. Померили энергию электрона, протона, энергию исходного нейтрона, и оказалось, что куда-то девается непонятная энергия. Паули предположил, что это новая элементарная частица — в тот момент это было совершенно революционно, потому что думалось, что новых элементарных частиц уже нет, что мы уже все понимаем. Но оказалось, что это не так. Паули предположил, что существует маленькая частица, которая не несет электрического заряда и имеет чрезвычайно маленькую массу. Ферми предложил назвать ее нейтрино. Так число элементарных частиц начало возрастать: протон, нейтрон, электрон и нейтрино.

Нейтрон распадался на протон, электрон и нейтрино — антинейтрино на самом деле, но это сейчас не так важно. Но и это оказалось не все: что-то должно было увязывать протоны и нейтроны вместе, и это не электрические силы, поскольку они очень слабые.

Японский физик Юкава предположил, что есть еще одна элементарная частица, которая ответственна за ядерные силы, то есть за силы, которые удерживают протоны и нейтроны внутри ядра. Он предположил, что есть еще одна элементарная частица и что ядерные силы существуют благодаря обмену элементарными частицами нового сорта, которые впоследствии получили название пи-мезонов (с греческой буквой π). Так число элементарных частиц начало постепенно возрастать.

Вскоре был открыт тяжелый электрон, впоследствии названный мюоном, и физики занялись изучением космических лучей.

Космические лучи — это излучение, приходящее к нам из космоса. К нам летят протоны, электроны, античастицы, и, как выяснилось, к нам еще прилетают некоторые странные объекты.

В 1947 году в космических лучах была открыта новая элементарная частица, которая получила название К-мезона. На самом деле было три мезона: один имел положительный электрический заряд, другой — отрицательный электрический заряд, и третий оказался нейтральным. Эти три частицы вели себя несколько странным образом, это так и было названо — «странность». Предположили, что они обладают неким новым свойством, называемым «странностью», и люди стали изучать эти странные частицы.

Оказалось, что К-мезоны — не единственные странные частицы. Постепенно число частиц начало возрастать. В космических лучах к нам прилетают частицы, которые могут долго жить, — если они живут мало, они успевают распасться, прежде чем прилететь к нам из космоса. Возникает вопрос: долго ли живут эти элементарные частицы? Что мы знаем о них на сегодняшний день?

Электрон, как нам сейчас представляется, живет вечно, мы не знаем, как он может распасться. Дело в том, что электрон на сегодняшний день — это самая легкая частица, имеющая электрический заряд, и поэтому в силу закона сохранения энергии ему просто не во что распадаться. Поэтому по сегодняшним представлениям электрон живет вечно.

А вот протон мог бы распадаться, но на сегодняшний день мы знаем, что время его жизни, измеренное экспериментально, превышает 10³⁴ лет. Для сравнения: возраст Вселенной — примерно 10¹⁰ лет. То есть протон живет практически вечно по этим меркам. А вот распадается он в конце концов или не распадается — это остается открытым вопросом, и это вопрос к эксперименту, который должен определить, распадется он или нет. Теория позволяет протону распадаться.

Нейтрон живет достаточно короткое время и распадается на протон. Но внутри ядер нейтрон живет практически вечно, потому что идет и обратный процесс превращения протона в нейтрон.

К-мезоны и пи-мезоны, оказалось, живут довольно короткий промежуток времени — 10^-6–10^-9 секунды, то есть по человеческим меркам распадаются мгновенно, но по меркам физики частиц они живут довольно долго. К этому нужно добавить, что они движутся с очень большой скоростью, прилетая к нам из космоса, то есть со скоростью, близкой к скорости света. А согласно специальной теории относительности Эйнштейна, время у быстродвижущихся объектов замедляется, поэтому их собственное время течет очень медленно, практически стоит, поэтому эти частицы, несмотря на то что в покое они должны были распасться в неуловимые доли секунды, на самом деле живут довольно долго и успевают прилететь к нам из космоса.

Космические лучи являются источниками новых элементарных частиц — там же они были когда-то и открыты. И число их начало постепенно возрастать, и их становилось все больше и больше. Далее эти частицы начали открывать на ускорителях, и перед нами образовался целый зоопарк. Частицы стали называть греческими буквами. Появились ро-мезоны (ρ), омега-мезоны (ω), эта-мезоны (η), кси-мезоны (ξ), сигма-мезоны (Σ) и так далее, а также и другие частицы.

Число частиц стало таким большим, что возникло естественное желание как-то их проклассифицировать наподобие таблицы Менделеева. В таблице Менделеева, как известно, все элементы имеют очень хорошую классификацию, они распадаются на периоды, на ряды, и теперь, благодаря квантовой механике, мы понимаем, как они устроены и почему есть такая классификация химических элементов. Элементарные частицы тоже хотелось бы как-то проклассифицировать, коль скоро их стало так много.

Естественно, надо посмотреть на свойства этих частиц, чем они различаются, и попытаться разделить их на отдельные классы в соответствии с их свойствами.

Одним из таких замечательных свойств оказалось наличие у частиц углового момента.

Частицы представляют собой с классической точки зрения что-то похожее на волчки, они вращаются с очень большим угловым моментом. Классически описать этот угловой момент не удается. Если бы частица имела какой-то размер, имела угловой момент, который мы измеряем, то получилось бы, что поверхность этой частицы вращается со скоростью, превышающей скорость света, а это невозможно.

Классически описать это вращение не удается — это удается сделать только в квантовой механике. Но угловой момент, как оказалось, в квантовой механике квантуется, то есть он приобретает только целые или полуцелые значения в некоторых единицах, называемых магнетонами Бора. Оказалось, что все частицы можно разделить на два класса: те, у которых целый угловой момент, и те, у кого полуцелый угловой момент. Эти частицы имеют два разных названия. Частицы с целым угловым моментом называются бозонами, потому что когда они собираются в большом количестве в некий ансамбль, то подчиняются статистике, которая называется статистика Бозе — Эйнштейна. А частицы с полуцелым угловым моментом ведут себя совершенно другим образом, они подчиняются совсем другой статистике — статистике Ферми — Дирака.

Частицы с целым спином и с полуцелым спином — это два совершенно разных класса частиц. Протоны, нейтроны, электроны, нейтрино — это фермионы, то есть частицы со спином ½. А пи-мезоны и К-мезоны имеют спин 0 — это бозоны. Спин 1 имеет ро-мезон. Интересно, что свет тоже квантуется, и квант света, фотон, имеет спин 1, то есть это тоже бозон.

Первая классификация готова: у нас есть фермионы и у нас есть бозоны, мы разделили частицы на два класса с совершенно разными свойствами. Но этого оказалось мало. Оказалось, что частицы вдобавок к тому, что имеют угловой момент, еще друг с другом взаимодействуют. Одно из взаимодействий мы хорошо знаем — это электричество. У них есть электромагнитные взаимодействия, у них есть электрический заряд, то есть бывают частицы с положительным зарядом, с отрицательным зарядом, с нулевым зарядом. Но оказалось, что, помимо этого, частицы принимают участие и в других взаимодействиях. Например, протон и нейтрон подчиняются ядерным силам, которые их удерживают.

И вот готова вторая классификация: одни частицы участвуют в сильных ядерных силах, другие не участвуют. Те частицы, которые участвуют в сильных взаимодействиях, получили название адронов. Адрон — это греческое слово ἁδρός, означает «жесткий» или «тяжелый», и все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, — это тяжелые частицы. Есть другой класс частиц, которые не участвуют во взаимодействиях. Примером является электрон. Эти частицы достаточно легкие, они получили название лептонов, от слова λεπτός — «легкий». Значит, есть частицы тяжелые — адроны, есть частицы легкие — лептоны. Все частицы, с которыми мы имеем дело в природе, можно разделить на эти два класса: на адроны и лептоны.

Кроме этого, есть частицы, которые связаны взаимодействиями, — примером является фотон. Эти частицы относятся к специальному классу — классу переносчиков взаимодействий. Впоследствии было обнаружено, что все остальные взаимодействия тоже переносятся частицами. Появились так называемые промежуточные векторные бозоны: глюоны, гравитоны и так далее. Это новый класс частиц, связанных с взаимодействиями. Тем самым с точки зрения физических свойств мы все частицы разделяем на три класса: сильновзаимодействующие адроны, слабовзаимодействующие лептоны и переносчики взаимодействий.

История и здесь не закончилась. Как оказалось, адроны не являются по-настоящему элементарными частицами, поскольку было обнаружено, что они состоят из более мелких объектов, которые в новой терминологии стали называть фундаментальными частицами — в отличие от элементарных частиц. Такими частицами, из которых состоят все адроны, оказались частицы, получившие название кварков. Тем самым новыми фундаментальными частицами, или элементарными частицами, если угодно, стали кварки, из которых построены все адроны, и лептоны, которые пока никакой структуры не имеют и в нашем сегодняшнем понимании являются истинно элементарными.

Итак, у нас есть некоторое количество кварков, некоторое количество лептонов, а также частицы-переносчики взаимодействий. Эти частицы на сегодняшний день являются самыми элементарными неделимыми фундаментальными частицами.

Дмитрий Казаков, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории теоретической физики ОИЯИ.

ПостНаука