История открытия элементарных частиц

 

При β-распаде ядер, как  мы уже говорили, кроме электронов вылетают ещё нейтрино. Частица эта  сначала была «введена» в физику теоретически. Именно существование  нейтрино было постулировано Паули  в 1929 году, за много лет до его  экспериментального открытия (1956 год). Нейтрино нейтральная частица с  нулевой (или ничтожно малой) массой понадобилась Паули для того, чтобы  спасти закон сохранения энергии  в процессе β-распада атомных  ядер.

 

Первоначально Паули назвал гипотетическую нейтральную частицу, образующуюся при β-распаде ядер, нейтроном (это было до открытия Чедвика) и предположил, что она входит в состав ядра.

 

Насколько трудно было прийти к гипотезе нейтрино, образующихся в самом акте распада нейтрона, видно хотя бы из того, что всего  за год до появления фундаментальной  статьи Ферми о свойствах слабого  взаимодействия исследователь, выступая с докладом о современном состоянии  физики атомного ядра использовал термин «нейтрон» для обозначения двух частиц, которые называются сейчас нейтроном и нейтрино. «Например, согласно предложению Паули, - говорит  Ферми, - было бы возможно вообразить, что  внутри атомного ядра находятся нейтроны, которые испускались бы одновременно с β-частицами. Эти нейтроны могли  бы проходить через большие толщи  вещества, практически не теряя своей  энергии, и поэтому были бы практически  не наблюдаемы. Существование нейтрона, несомненно, могло бы просто объяснить  некоторые пока непонятные вопросы, такие, как статистика атомных ядер, аномальные собственные моменты  некоторых ядер, а также, быть может, природу проникающего излучения». В  самом деле, когда речь идёт о  частице, испускаемой с β-электронами  и плохо поглощаемой веществом, необходимо иметь в виду нейтрино. Можно сделать вывод, что в 1932 году проблемы нейтрона и нейтрино были крайне запутаны. Понадобился  год напряжённой работы теоретиков и экспериментаторов, чтобы разрешить  как принципиальные, так и терминологические  трудности.

 

«После открытия нейтрона, - говорил Паули, - на семинарах в  Риме мою новую частицу, испускаемую  при β-распаде, Ферми стал называть «нейтрино», чтобы отличить её от тяжёлого нейтрона. Это итальянское название стало общепринятым».

 

В 30-годы теория Ферми была обобщена на позитронный распад (Вик, 1934 год) и на переходы с изменением углового момента ядра (Гамов и  Теллер, 1937 год).

 

«Судьбу» нейтрино можно  сравнить с «судьбой» электрона. Обе частицы были вначале гипотетическими  – электрон был введён, чтобы  привести атомную структуру вещества в соответствие с законами электролиза, а нейтрино – для спасения закона сохранения энергии в процессе β-распада. И только значительно позже они  были открыты как реально существующие.

 

В 1962 было выяснено, что существуют два разных нейтрино: электронное  и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных  К-мезонов было обнаружено несохранение т. н. комбинированной чётности (введённой  Ли Цзун-дао и Ян Чжэнь-нином и  независимо Л. Д. Ландау в 1956), означающее необходимость пересмотра привычных  взглядов на поведение физических процессов  при операции отражения времени.

 

От странности до очарования

Открытие странных частиц

 

Конец 40-х — начало 50-х  гг. ознаменовались открытием большой  группы частиц с необычными свойствами, получивших название “странных”. Первые частицы этой группы К+- и К--мезоны, L-, S+ -, S- -, X- -гипероны были открыты в  космических лучах, последующие  открытия странных частиц были сделаны  на ускорителях — установках, создающих  интенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с  веществом ускоренные протоны и  электроны рождают новые элементарные частицы, которые и становятся предметом  изучения.

 

В 1947 г. Батлер и Рочестер в камере Вильсона наблюдали две  частицы, названные V-частицами. Наблюдалось  два трека, как бы образующие латинскую  букву V. Образование двух треков свидетельствовало  о том, что частицы нестабильны  и распадаются на другие, более  лёгкие. Одна из V-частиц была нейтральной  и распадалась на две заряженные частицы с противоположными зарядами. (Позже она была отождествлена  с нейтральным К-мезоном, который  распадается на положительный  и  отрицательный пионы). Другая была заряженной и распадалась на заряженную частицу  с меньшей массой и нейтральную  частицу. (Позже она была отождествлена  с заряженным К+-мезоном, который  распадается на заряженный и нейтральный  пионы).

 

V-частицы допускают, на  первый взгляд, и другую интерпретацию:  их появление можно было бы  истолковать не как распад  частиц, а как процесс рассеяния.  Действительно, процессы рассеяния  заряженной  частицы на ядре  с образованием в конечном  состоянии одной заряженной частицы,  а также неупругого рассеяния  нейтральной частицы на ядре  с образованием двух заряженных  частиц будут выглядеть в камере  Вильсона так же, как и распад V-частиц. Но такая возможность  легко исключалась на том основании,  что процессы рассеивания более  вероятны в более плотных средах. А V-события наблюдались не  в свинце, который присутствовал  в камере Вильсона, а непосредственно  в самой камере, которая заполнена  газом с меньшей плотностью (по  сравнению с плотностью свинца).

 

Заметим, что если экспериментальное  открытие π-мезона было в каком-то смысле «ожидаемым» в связи с необходимостью объяснить природу нуклонных  взаимодействий, то открытие V-частиц, как и открытие мюона, оказалось  полной неожиданностью.

 

Открытие V-частиц и определение  их самых «элементарных» характеристик  растянулось более чем на десятилетие. После первого наблюдения этих частиц в 1947г. Рочестер и Батлер продолжали свои опыты ещё два года, но им не удалось наблюдать ни одной частицы. И только после того как аппаратуру подняли высоко в горы, были снова обнаружены V-частицы, а также и открыты новые частицы.

 

Как выяснилось позднее, все  эти наблюдения оказались наблюдениями различных распадов одной и той  же частицы – К-мезона (заряженного  или нейтрального).

 

«Поведение» V-частиц при  рождении и последующем распаде  привело к тому, что их стали  называть странными.

 

Странные частицы в  лаборатории впервые получены в 1954г. Фаулером, Шаттом, Торндайком и  Вайтмором, которые, используя пучок  ионов от Брукхейвенского космотрона с начальной энергией 1,5 ГэВ, наблюдали  реакции ассоциативного образования  странных частиц.

 

С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц. В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных  на ускорителях, составили десятки  и сотни млрд. электрон-вольт (ГэВ). Стремление к увеличению энергий  частиц обусловлено тем, что высокие  энергии открывают возможность  изучения строения материи на тем  меньших расстояниях, чем выше энергия  сталкивающихся частиц. Ускорители существенно  увеличили темп получения новых  данных и в короткий срок расширили  и обогатили наше знание свойств  микромира. Применение ускорителей  для изучения странных частиц позволило  более детально изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскоре привело к важному  открытию: выяснению возможности  изменения характеристик некоторых  микропроцессов при операции зеркального  отражения — т. н. нарушению пространств, чётности (1956). Ввод в строй протонных  ускорителей с энергиями в  миллиарды электрон-вольт позволил открыть тяжёлые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый  гиперон W- (с массой около двух масс протона).  

Резонансы.

 

В 1960-х гг. на ускорителях  было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными элементарными частицами) частиц, получивших название “резонансов”. Массы большинства резонансов превышают  массу протона. Первый из них D1 (1232) был  известен с 1953 г. Оказалось, что резонансы  составляют основная часть элементарных частиц.

Нуклонный резонанс, открытый Ферми в 1952 г., позже стали называть Δ3/2 3/2 – изобарой (чтобы выделить тот факт, что спин и изотопический  спин Δ-изобары равны 3/2). Так как  время жизни резонансов незначительна, их нельзя наблюдать непосредственно, аналогично тому, как наблюдают «обычные»  протон,  π-мезоны и мюоны (по их следам в трековых приборах). Резонансы  обнаруживают по характерному поведению  сечений рассеивания частиц, а  также изучая свойства продуктов  их распада. Большинство известных  элементарных частиц относится именно к группе резонансов.

Открытие Δ-резонанса  имело важнейшее значение для  физики элементарных частиц.

Заметим, что возбуждённые состояния или резонансы не являются абсолютно новыми объектами физики. Ранее они были известны в атомной  и ядерной физике, где их существование  связано с составной природой атома (образованного из ядра и электронов) и ядра (образованного из протонов и нейтронов). Что касается свойств  атомных состояний, то они определяются только электромагнитным взаимодействием. Малые вероятности их распада  связаны с малостью константы  электромагнитного взаимодействия.

Возбуждённые состояния  существуют не только у нуклона (в  этом случае говорят о его изобарных  состояниях), но и у π-мезона (в  этом случае говорят о мезонных резонансах).

«Причина появления резонансов в сильных взаимодействиях непонятна  – пишет Фейнман, - сначала теоретики  и не предполагали, что в теории поля с большой константой взаимодействия существуют резонансы. Позднее они  осознали, что если константа взаимодействия достаточно велика, то возникают изобарные  состояния. Однако истинное значение факта  существования резонансов для фундаментальной  теории остаётся неясной».

 

«Очарованные» частицы

 

В конце 1974г. две группы экспериментаторов (группа Тинга на протонном ускорителе в Брукхейвене и группа Б. Рихтера, работавшая на установке со встречными электронно-позитронными пучками в  Стэнфорде) одновременно сделали важнейшее  открытие в физике элементарных частиц: открыли новую частицу – резонанс с массой, равной 3,1 ГэВ (превышающей  три массы протона).

Наиболее удивительным свойством  этого резонанса оказалась его  малая ширина распада – она  равна всего 70кэВ, что соответствует  времени жизни порядка 10^-23с.

Общепринятое объяснение природы ψ-мезонов основано на гипотезе существования наряду со «стандарными»  тремя u-,d- и s-кварками ещё четвёртого, с-кварком. От известных ранее кварков  с-кварк отличается значением нового квантового числа, названного чармом. Поэтому с-кварк получил название чармового – или очарованного – кварка.

 

В 1974 были обнаружены и другие массивные (в 3—4 протонные массы) и  в то же время относительно устойчивые y-частицы, с временем жизни, необычно большим для резонансов. Они оказались  тесно связанными с новым семейством элементарных частиц — “очарованных”, первые представители которого (D0, D+, Lс) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании  тяжёлого аналога электрона и  мюона (тяжёлого лептона t).

 

За открытие ψ-частиц Тингу  и Рихтеру в 1976 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

 

В 1977г. были открыты более  тяжёлые (по сравнению с ψ-частицами) нейтральные мезоны с массами  порядка 10ГэВ, т.е. более чем в  десять раз тяжелее нуклонов. Как  и в случае ψ-мезонов, эти мезоны, получившие название «ипсилон»-мезонов, были наблюдены в реакции образования  мюонных пар в протон-ядерных  столкновениях.

 

 

Заключение

 

Таким образом, за годы, прошедшие  после открытия электрона, было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц  материи. Для всех элементарных частиц характерны исключительно малые  размеры: линейные размеры нуклона  и пиона примерно равны 10^-15 м. Теория предсказывает, что размер электрона должен быть порядка 10^-19 м.

 

Масса же подавляющего большинства  частиц сравнима с массой протона, которая  в энергетических единицах близка к 1 ГэВ (1000 МэВ).

 

 Мир элементарных частиц  оказался достаточно сложно устроенным. Неожиданными во многих отношениях  оказались свойства обнаруженных  элементарных частиц. Для их описания, помимо характеристик, заимствованных  из классической физики, таких,  как электрический заряд, масса,  момент количества движения, потребовалось  ввести много новых специальных  характеристик, в частности для  описания странных элементарных  частиц — странность (К. Нишиджима,  М. Гелл-Ман, 1953), “очарованных” элементарных  частиц — “очарование” (американские  физики Дж. Бьёркен, Ш. Глэшоу, 1964); уже названия приведённых  характеристик отражают необычность  описываемых ими свойств элементарных  частиц.

 

Изучение внутреннего  строения материи и свойств элементарных частиц с первых своих шагов сопровождалось радикальным пересмотром многих устоявшихся понятий и представлений. Закономерности, управляющие поведением материи в малом, оказались настолько  отличными от закономерностей классической механики и электродинамики, что  потребовали для своего описания совершенно новых теоретических  построений.