Определение элементарной частицы

Около пятидесяти лет назад были известны всего три типа «элементарных частиц». Считалось, что электрон и протон являются мельчайшими элементами вещества, а фотон — минимальной порцией энергии излучения. Эта концепция «мельчайшего элемента» возникла из представлений о делимости материи.

Механическим или химическим путем кусок вещества можно разложить на отдельные атомы. Атом разделяется на ядро и окружающие его электроны. Атомное ядро можно расщепить на протоны и нейтроны. О «мельчайших элементах» можно говорить лишь в том случае, если они не делятся на еще более мелкие части.

Единственными процессами, в которых можно было бы ожидать расщепления элементарных частиц, являлись их столкновения при очень высоких энергиях. Именно для изучения таких столкновений и предназначались большие ускорители, построенные в Беркли, Дубне, Женеве и Брукхейвене. Проводимые на них эксперименты показали, что при соударении двух частиц высокой энергии действительно может появиться множество других частиц; однако они совсем не обязательно являются более мелкими, чем частицы сталкивающиеся.

Наоборот, оказывается, что независимо от природы последних рождаются частицы всегда одних и тех же типов. Более точно это явление можно описать следующими словами: большая кинетическая энергия соударяющихся частиц превращается в вещество, в появляющиеся частицы («множественное рождение частиц»). На фиг. 1 изображена фотография, сделанная с помощью пузырьковой камеры женевского протонного синхротрона.

Фиг. 1. Протон, ускоренный в синхротроне ЦЕРН до 24 Гэв, сталкивается в пузырьковой камере с ядром атома водорода и порождает пучок вторичных частиц, в основном пионов

Она демонстрирует типичный случай множественного рождения. Таким образом, принимая форму элементарных частиц, энергия может превратиться в вещество. Поэтому различные элементарные частицы можно рассматривать как разные формы существования фундаментальной субстанции — материи или энергии. Называть эти частицы «мельчайшими элементами» можно лишь в том смысле, если части, на которые они расщепляются, не являются более мелкими, а обладают примерно теми же размерами.

Такое решение проблемы «мельчайших элементов материи» является весьма удивительным и приводит к другому вопросу, который нужно внимательно исследовать. Раньше атомы и атомные ядра рассматривались как составные системы, которые построены из множества элементарных частиц; в то же время электрон и протон считались неделимыми, а значит, «элементарными». В описываемой ситуации такое различие представляется довольно искусственным. В самом деле, вряд ли существует какое-нибудь хорошее определение, с помощью которого можно отличить «элементарную» частицу от составной системы.

Так, например, пион можно рассматривать как систему, состоящую из одной или нескольких нуклон-антинуклонных пар, нуклон можно построить из А-гиперона и К-мезона, фотон — из мюона и антимюона и т. д. Та парадоксальная ситуация, с которой мы столкнулись, очень хорошо описывается широко известной формулой: «каждая элементарная частица состоит из всех других элементарных частиц». Если для расщепления системы необходима энергия, малая по сравнению с массой покоя возникающих частей, то практически еще можно говорить, что эта система является составной. Но такое определение весьма туманно и носит не качественный, а количественный характер. Поэтому разумно вообще не делать никакого различия между элементарными частицами и составными системами.

Одной из главных причин, благодаря которой в физике элементарных частиц возникла эта новая ситуация, является возможность порождения пар, т. е. существование античастиц и антиматерии. Пусть волновые функции, описывающие некоторые состояния, обладают одинаковыми свойствами симметрии. Тогда их разделение становится невозможным, так как каждая из этих волновых функций будет содержать вклады всех остальных. В нерелятивистской квантовой механике из-за наличия калибровочной группы состояния с различным числом частиц имеют разные свойства симметрии, поэтому они разделимы. В релятивистской теории благодаря возможности порождения пар это будет уже не так.

Другой стороной этой ситуации является сложность физики элементарных частиц. Вряд ли теория элементарных частиц может быть проще квантовой химии; в ней не будет аналога оптического спектра атома водорода и соответствующего ему простого математического закона. Если в квантовой химии мы хотим вычислить, скажем, энергию связи двух атомов в молекуле кислорода, то нельзя пренебрегать тем, что в процессах столкновений при высоких энергиях атомы способны ионизироваться или даже расщепляться на отдельные ядра и электроны.

Поэтому мы не можем надеяться на существование простой аналитической функции, которая точно описывает межатомный потенциал и тем самым определяет энергию связи. Совершенно аналогично, нельзя вычислить массу пиона, исходя из простого нуклон- антинуклонного потенциала, — ведь анализ его поведения должен отражать тот экспериментальный факт, что при столкновении нуклона с антинуклоном, когда они обладают высокими энергиями, может породиться множество частиц. Поэтому в теории элементарных частиц проблема создания приближенных математических методов столь же важна и трудна, как и в квантовой химии.

Если различные элементарные частицы считать разными формами фундаментальной субстанции («энергии» или «материи»), то следует подчеркнуть, что зачастую они являются всего лишь переходными образованиями, обладающими очень коротким временем жизни. Некоторые из них, подобно протону, электрону или дейтрону, стабильны. Другие имеют весьма «большое» время жизни — от 10^-6 до 10^-16 сек (например, пион или Ω^--гиперон). Но подавляющее большинство частиц обладает временами жизни, меньшими чем 10^-16 сек (заметим, что когда в этой книге употребляется термин «масса» или «время жизни», то подразумевается, что выбрана система покоя данной частицы).

Следовательно, будут существовать непрерывные переходы между состояниями с большим временем жизни, характеристики которых можно измерить с большой точностью, и между другими состояниями, время жизни которых мало и чьи свойства поэтому строго не определены. Такое положение вещей отчетливо наблюдается во всех экспериментах. Непрерывный спектр состояний не связан с определенными симметриями, например с точными значениями момента или изоспина.

Дискретное стационарное состояние обладает определенными свойствами симметрии. Максимум в непрерывном спектре в зависимости от его ширины можно называть или резонансным состоянием, или просто максимумом; ширина определяет также, можно или нельзя обнаружить его в некоторых симметриях. Возможны и все промежуточные случаи. С термином «элементарная частица» мы будем обращаться совершенно свободно, называя так все указанные образования независимо от их стабильности.