Зоопарк в микромире

Представим себе, что мы гуляем в таком зоопарке. Слева небольшая аллея лептонов с клетками легких частиц, справа длиннющая, уходящая за горизонт аллея со множеством загонов для массивных частиц-адронов. (Снова греческие корни: «лепто» — легкий, мелкий и «адро» — тяжелый, крупный.)

Ряд адронов начинается с наших знакомцев — протона и нейтрона. Они настолько похожи по своим свойствам, что физики считают их двумя состояниями одной и той же частицы — нуклона. Когда у нуклона нет электрического заряда — это нейтрон, если же в результате каких-то взаимодействий он получит заряд — это будет уже протон.

Можно сказать, что у нуклона два лица — одно протонное, другое — нейтронное. Если прибегнуть к другой аналогии, то нуклон можно уподобить электрической лампочке. Когда она горит — это протон, выключена — нейтрон. Аналогия, конечно, далекая, но, в общем-то, правильная. И если уж следовать ей, то. пи-мезон придется сравнить с электрической лампочкой, имеющей три состояния: когда она горит красным светом — это мезон с положительным электрическим зарядом, если потушена — нейтральный мезон, а когда светит синим светом — это мезон с отрицательным зарядом. Пи-мезон — частица с тремя лицами. В заряженном состоянии она живет около стомиллионной доли секунды и распадается на мю-мезон и нейтрино. В нейтральном состоянии время ее жизни еще намного — в сто миллионов раз — меньше. Она почти мгновенно распадается на два высокоэнергетических фотона.

Рядом стоит клетка с ρ (ро)-мезоном. Он во всем похож на пи-мезон, тоже имеет три лица, только впятеро тяжелее и, кроме того, быстро вращается. Движется и вращается, как бы навинчивается на свою траекторию. Вот только живет ро-мезон очень мало, ничтожный миг — около 10^-23 секунд. Это десятичная дробь с двадцатью двумя нулями после запятой. Распадаясь, ро-мезон превращается в два быстрых пи-мезона.

Недалеко от пи- и ро- мезонов помещается ω (омега)-мезон. Это нейтральная частица с массой, как у ро-мезона, и вдесятеро большим временем жизни. Она тоже — маленький вращающийся волчок. Распадается на три пи-мезона, которые с большой скоростью разлетаются в разные стороны.

С тройкой мезонов, обозначаемых греческими буквами π, ρ и ω, мы еще встретимся. Они играют важную роль в жизни протона и нейтрона.

Далее идут «странные частицы». Все они короткоживущие. Некоторые похожи на нуклон, их называют гиперонами. Другие — «странные мезоны». Когда эти частицы обнаружили, физики были удивлены тем, что они всегда рождаются парами, как будто не могут жить друг без друга. Поэтому их и назвали «частицами со странностью». Впрочем, вскоре нашлись еще более удивительные частицы, которые тоже рождаются парами. Их появление и «черты характера» были предсказаны теоретиками, и, когда их открыли, теоретики были так рады, что назвали их «прелестными».

Вслед за площадкой «прелестных частиц» мы видим множество загонов и клеток с очень тяжелыми адронами. В сравнении с нуклоном некоторые из них выглядят как бегемоты рядом с поросенком. Большинство из них такие неповоротливые, что, едва успев родиться, тут же на месте распадаются на более легкие частицы. Время жизни наименее устойчивых изображается десятичной дробью с более чем двумя десятками нулей после запятой. Оставим их пока в покое — все равно всех их не осмотреть — и перейдем на противоположную сторону аллеи. Там расположены античастицы.

Первой античастицей, с которой познакомились физики, был позитрон. Когда он сталкивается с электроном, вещество обеих частиц полностью переходит в излучение — в фотоны. Происходит аннигиляция — уничтожение. Такие полярные, взаимоуничтожающиеся частицы стали называть частицей и античастицей. Так в науку вошла идея антивещества.

Открытие античастиц принадлежит к числу тех сравнительно немногих научных достижений, которые приобретают самую широкую известность. Воображение людей поражает сама возможность полной трансформации вещества в излучение.

Когда хотят сказать о предельной степени разрушения чего-либо, часто используют глагол «испепелить». При аннигиляции электрона с позитроном не остается даже пепла. Все вещество — целиком, без остатка — превращается в электромагнитное поле и уносится в пространство. Взрыв атомной или водородной бомбы освобождает лишь несколько процентов запасенной в веществе энергии, при аннигиляции происходит стопроцентное освобождение энергии.

Антипартнера имеет не только электрон. Они есть у всех элементарных частиц. У протона есть антипротон, у нейтрона — антинейтрон и так далее. Это похоже на то, как в мире живых существ есть особи противоположного пола — мужские и женские. Правда, некоторые частицы — например фотон или нейтральный пи-мезон — в одном лице совмещают должность частицы и античастицы. Однако таких «двуполых» частиц мало. Как правило, частица и античастица сильно различаются по своим свойствам. У них противоположные электрические заряды, а если частица нейтральная — например как нейтрон, — то противоположными оказываются другие ее характеристики, в частности, направление вращения. Получается так, что природа отражена в своеобразном зеркале: с одной стороны — частицы, с другой, в «Зазеркалье», — античастицы. И все абсолютно симметрично. Две половинки — мир и антимир! В одном случае атомы построены из электронов, протонов и нейтронов, в другом — из позитронов, антипротонов и антинейтронов.

У писателя И. А. Ефремова есть фантастический рассказ о том, как в далеком космосе встретились посланцы двух биологических рас — одной, живущей на основе кислорода, и другой, основанной на фторе. Все очень похоже, но газ жизни одной расы — смертельный, разъедающий яд для другой. Даже их дыхание опасно друг для друга. То же самое было бы для существ, построенных из вещества и антивещества. Все физические законы, все краски их миров совершенно одинаковы; только от условия зависит, что назвать миром, а что — антимиром. Но при соприкосновении — аннигиляция, взрыв!

Правда, полное излучение вещества происходит не всегда. Так при аннигиляции нуклона с антинуклоном «сгорает» лишь часть вещества, другая его часть остается в виде мезонных осколков. Тем не менее даже с учетом несгоревших «шлаков» энергия антипротонного и антинейтронного взрывов в несколько тысяч раз больше энергии, выделяющейся при аннигиляции легких частиц — электрона и позитрона. Это самое мощное энерговыделение, которое мы умеем осуществлять в лабораторных условиях. Недаром писатели-фантасты часто используют антивещество в качестве горючего для звездолетов будущего. Килограммовый слиток такого вещества даст столько же энергии, сколько можно получить из нефтяного озера глубиной в несколько метров и диаметром около километра. Это означает, что всего несколько килограммов антивещества способны заменить все горючее, которое сжигается на Земле за год.

Конечно, эти килограммы антивещества надо еще изготовить — синтезировать из антипротонов и антинейтронов, а это очень сложная и энергоемкая задача. Пока ученые научились изготавливать лишь самые простые антиядра, состоящие из двух и трех античастиц: антидейтрон, антитритон и легкий изотоп антигелия. Несколько лет назад этот изотоп был получен в опытах на ускорителе протонов, построенном под Москвой, вблизи Серпухова. Синтез тяжелых антиядер — исключительно трудная задача. Правда, трудности здесь технического порядка, никаких принципиальных препятствий на этом пути нет. Возможно, что когда-нибудь изготовление антиядер станет такой же отраслью большой индустрии, как в наши дни производство кюрия и других трансурановых элементов.

Перейдем теперь на соседнюю аллею — к лептонам. Первыми мы встречаем здесь три почти одинаковые частицы: электроны, π -мезон, и τ -мезон. Различаются они лишь своей массой (мю-мезон в двести с лишним раз тяжелее электрона, тау-мезон — еще более тяжелая частица) да еще тем, что, в отличие от электрона, мю- и тау- мезоны радиоактивные, они распадаются на электрон и нейтрино. Правильнее было бы назвать их не мезонами, а тяжелыми электронами. До сих пор до конца неясно, зачем потребовалось природе несколько различающихся по весу «изданий» электронов.

Рядом с клетками электроноподобных частиц, как собачки у ног их хозяев, устроились три нейтрино. Их так и называют: нейтрино электронное, нейтрино мюонное и тау-нейтрино. Каждое из них рождается только вместе со своим хозяином, сопровождает его в реакциях и на соседей не обращает никакого внимания.

Масса нейтрино равна нулю. Все они, как фотон, «бестелесные» и никогда не стоят на месте. Их скорость всегда равна скорости света. Хотя в газетах сообщалось, что точными экспериментами у нейтрино обнаружена маленькая масса, контрольные опыты этого пока не подтвердили. Можно сказать, что нейтрино — это «черный свет». Сочетание противоречивое, но в физике бывает и не такое!

Когда семейство лептонов состояло всего из трех частиц — безмассового нейтрино, электрона, весящего почти в две тысячи раз меньше протона, и его «антибрата» позитрона, фамилия «лептоны» была точной характеристикой этих частиц. Однако после открытия мезонов мю- и тау-, которые в сотни раз тяжелее электрона, легкими их можно называть лишь условно. Названия «лептон» и «адрон» теперь стали чисто условными, фактически синонимами эпитетов «слабо»- и «сильновзаимодействующий». (Все лептоны взаимодействуют значительно слабее адронов.) Но такова уж сила привычки — физикам трудно отказаться от примелькавшихся выражений.