До 1947 года Вселенная, по мнению физиков, состояла из электронов, нуклонов, фотонов, позитронов, трех сортов пионов — положительных, отрицательных и нейтральных и двух сортов мюонов — положительных и отрицательных. Теоретики настаивали, что должны быть еще антипротон, антинейтрон, нейтрино и антинейтрино. Но экспериментаторам такая «дичь» еще не попадалась.
В конце сороковых годов исследователи космических лучей, физики называют их ласково «космиками», получили новые усовершенствованные методы и средства для своих экспериментов. Это были фотопластинки с толстыми слоями эмульсий, которые пачками взлетали в стратосферу на шарах-зондах и на ракетах, усовершенствованные камеры Вильсона, масс-спектрографы и изощренная методика изучения следов невидимок.
Никто из людей никогда не видел и никогда не увидит элементарных частиц воочию, потому что они слишком малы даже для электронного микроскопа. Одни лишь следы выдают их присутствие в мире. Так что, хочешь не хочешь, пришлось физикам стать настоящими следопытами.
Представьте себе цепочку следов, идущую по свежевыпавшему снегу. Если вы человек внимательный и опытный, о многом может она рассказать. И о том, какой зверь оставил свои отпечатки: большой или маленький. О его размере и весе. О том, хищник это или мирное травоядное животное. О том, какая драма разыгралась здесь перед вашим приходом…
По той же методике работают и физики — специалисты по охоте за частицами.
Первые удачи выпали на долю двух английских исследователей К. Батлера и Дж. Рочестера из Манчестерского университета в 1947 году. В камере Вильсона им удалось сфотографировать распад неизвестной частицы. При этом следа самой частицы видно не было. Это означало ее электрическую нейтральность. А вот следы двух осколков нарисовали на фотографии четкую вилочку латинской буквы «V». Так ее сначала и назвали: V°-частица.
По следам распада исследователи пришли к выводу, что оставили их в тумане камеры пион и мюон. А подсчет кинетической энергии дал массу V°-частицы, примерно в тысячу раз превышающую массу электрона.
Конечно, для изучения всех свойств «новичка» одной фотографии было недостаточно. Нужны были еще и еще… Но попадалась V°-частица чрезвычайно редко. Порой приходилось делать тысячи снимков, чтобы на одной из них разглядеть заветную вилочку следов. Попробуйте представить себе такую работу… И только когда общее количество фотографий перевалило за сотню тысяч, физики смогли отдать себе более или менее полный отчет о своем открытии. Оказалось, что открыли они не одну, а две нейтральных частицы. Обе давали следы распада в виде буквы «V», но если масса первой была в тысячу раз больше массы электрона, то масса второй превышала ее уже в две тысячи двести раз. Это было удивительно. До сих пор самой тяжелой частицей был нейтрон и предполагалось, что тяжелее жители микромира быть не могут. Но раз удивительно, значит, интересно!
С введением в строй новых ускорителей к опытам англичан примкнули исследователи из других лабораторий. Охота за частицами стала носить характер массовой облавы. И не зря существует поговорка, что, кто ищет, тот всегда находит. В поисках на фотографиях заветных следов-вилочек распада экспериментаторы то и дело натыкались на неизвестные в науке треки частиц. Сообщения об открытиях сыпались как из рога изобилия.
По мере накопления экспериментальных данных исследователи уточняли характеристики пришельцев, исправляли массы, времена жизни, определяли спины. При этом некоторые частицы сливались в одну. В конце концов всех новичков удалось разделить на две группы. В первую вошли частицы с массой, примерно в тысячу раз превышающей массу электрона, и со спином, равным нулю, их называли К-мезонами, или каонами. Во вторую группу вошли более тяжелые частицы со спином, равным 1/2. Тут оказались ламбда-гиперон, два сигма-гиперона и один «каскадный» кси-гиперон, распадающйся «каскадно», в два этапа. Но на этом работа с ними, разумеется, еще далеко не закончилась.
Физики столкнулись с целым рядом настоящих головоломок. Одной из первых явилось то обстоятельство, что в столкновениях пи-мезонов с нуклонами наблюдалось только парное рождение новых частиц. Кроме того, родившись в результате сильных взаимодействий, каоны и гипероны должны были очень быстро распадаться. А они упрямо жили в миллионы миллионов раз дольше. Это было совершенно непонятно.
Ведь почему, например, электрон является стабильной частицей и существует вечно? Потому что существует закон сохранения заряда. Электрону больше не на что распадаться. Более легких заряженных частиц просто не существует…
Почему бессмертен протон? Протон относится к барионам. Это общее название, объединяющее две группы частиц: нуклонов и гиперонов. Экспериментаторы давно заметили, что во всех реакциях распада бариона в продуктах распада обязательно должен быть другой барион. Заметили, что при рождении антибариона он появляется на свет только в паре с барионом.
Значит, была у этих частиц какая-то характеристика, обеспечивающая их сохранение. Эту характеристику, это квантовое число назвали барионным зарядом. И предположили, что если считать его для барионов равным единице, а для антибарионов — минус единице, то можно ввести в физику элементарных частиц еще один закон — закон сохранения барионного заряда. Он и будет определять собой сохранение числа барионов при реакциях.
Это очень важный закон. Без него не было бы вообще ничего вокруг нас. Потому что все протоны и нейтроны тут же распались на позитроны, гамма- кванты и нейтрино. Мир вещества перестал бы существовать.
Закон сохранения барионного заряда обеспечивает «вечную жизнь» протону!
Среди «долгожителей» микромира считаются пи- и мю-мезоны. Это тоже было понятно, потому что они распадались на другие частицы за счет только слабых взаимодействий, с малой вероятностью, редко. Отсюда и их долгая жизнь.
Но почему «долгожителем», к примеру, оказывался ламбда-гиперон? Легко рождаясь, в результате сильного взаимодействия ламбда-частица распадалась на протон и пион или на нейтрон и пион — частицы, участвующие также в сильных взаимодействиях. Значит, должна была распасться быстро. А она жила…
И вот тогда, независимо друг от друга, два очень молодых физика-теоретика Мюррей Гелл-Манн в США и Казихико Нишиджима в Японии подумали, а почему бы не предположить, что существует еще какая-то физическая характеристика, которая должна в этих реакциях оставаться постоянной? Другими словами, почему бы не предположить существование еще одного закона сохранения, оберегающего эти странные частицы?
Новую характеристику, новое квантовое число тут же ввели, назвав его «странность». Ввели и закон сохранения странности, справедливый для реакций с сильным и электромагнитным взаимодействием и несправедливый для реакций со слабыми взаимодействиями.
Вы, пожалуй, спросите, а как странность помогает объяснять возникшие головоломки? Во-первых, парное рождение, во-вторых, «долгожительство» новых частиц? Тут начинается цепь теоретических рассуждений, догадок и доказательств.
Прежде всего следовало считать, что, родившись в результате сильного взаимодействия, странные частицы жили долго, потому что распадались в результате какого-то слабого процесса. Эту идею предложил физик Пайс. Оставалось объяснить почему. И вот где помог новый закон сохранения странности. Напомню: в реакциях с сильным и электромагнитным взаимодействием полная странность частиц, вступивших во взаимодействие, должна равняться полной странности получившихся продуктов. В слабых взаимодействиях странность не сохраняется.
А теперь подумайте сами, может ли при столкновении обычных частиц с нулевой странностью родиться одна странная частица?.. Конечно, нет! Нарушится закон сохранения странности. А вот появиться в результате той же реакции паре частиц со странностями разного знака — это пожалуйста. Хотите пример? Вот реакция, происходящая в результате сильного взаимодействия, которую наблюдали множество раз при достаточно больших энергиях: π— + ρ → К° + Ʌ. Столкнулись быстро летящие пион с протоном — и образовались каон и ламбда-гиперон. У каона странность +1, у ламба-гиперона — 1. В сумме — ноль. Как раз то, что нужно, потому что пион с протоном, естественно, имеют нулевую странность, поскольку к странным частицам не относятся.