Преобразование нейтронов в протоны в атомах радиоактивного вещества влечет преобразование этих атомов в атомы другого элемента. Возникающие в ходе этого процесса электроны испускаются атомами в виде излучения, которое широко применяется в биологии, медицине и промышленности. Установить факт рождения нейтрино, хотя они испускаются в таком же большом количестве, гораздо сложнее: эти частицы не имеют ни массы[211], ни электрического заряда.
Для каждой частицы существует античастица с такой же массой и противоположным зарядом. Античастицей для фотона является сам фотон; античастица электрона называется позитроном; также нам известны антипротон, антинейтрон и антинейтрино. На самом деле безмассовая частица, которая возникает в процессе бета-распада, представляет собой не нейтрино, а его античастицу, антинейтрино (
), и процесс корректно может быть записан так:
Упоминавшиеся до сих пор частицы — малая часть субатомных частиц, известных современной науке. Все остальные очень неустойчивы; они очень быстро распадаются на другие частицы, которые, в свою очередь, могут тоже подвергаться распаду, пока не образуются устойчивые частицы. Исследование неустойчивых частиц очень дорогостоящее: для каждого эксперимента их приходится создавать заново, что невозможно без огромных ускорителей, пузырьковых камер и других сложных устройств для обнаружения частиц.
Многие неустойчивые частицы существуют очень недолго по сравнению с временными масштабами макромира — меньше миллионной доли секунды. Но продолжительность их жизни следует соотносить с их размерами, которые тоже очень невелики. Тогда очевидно, что на самом деле эти частицы существуют довольно долго и одна миллионная доля секунды — гигантский срок в мире частиц. Человек за секунду может преодолеть расстояние, которое в несколько раз превышает его размеры. Для частицы аналогичной единицей времени будет промежуток, в течение которого она преодолевает расстояние, которое превышает ее размеры в несколько раз; ее можно назвать «частице-секундой». Физики оценивают продолжительность этой единицы в 10–23 доли обычной секунды[212].
Чтобы преодолеть расстояние, равное диаметру ядра атома среднего размера, частице, движущейся со скоростью, близкой к световой (как во время экспериментов по столкновению частиц), нужно примерно 10 таких частице-секунд. Всего около двух дюжин из всего множества неустойчивых частиц, прежде чем подвергнуться распаду, преодолевают расстояния, равные размерам нескольких атомов. Оно превышает их размеры примерно в сто тысяч раз, и для его преодоления требуется несколько сот «частице-часов». Эти частицы, наряду с уже упоминавшимися устойчивыми, перечислены в табл. 3.
Таблица 3. Устойчивые и сравнительно долго живущие частицы
Таблица включает 13 различных видов частиц, многие из которых способны существовать в нескольких «зарядовых состояниях». Так, пионы могут иметь положительный заряд (π+), отрицательный (π—) или быть электрически нейтральными (π0). Существует две разновидности нейтрино, различающиеся тем, что каждая из них может взаимодействовать только с определенным типом частиц: первая — с электронами (νе), вторая — с мюонами (νμ). Античастицы тоже включены в таблицу, причем три частицы могут быть своими собственными античастицами (γ, π0, η). Все частицы расположены в порядке возрастания массы атомов: фотоны не имеют массы покоя, масса нейтрино крайне мала, электрон представляет собой легчайшую частицу с точно измеренной массой, мюоны, пионы и каоны в несколько сот раз тяжелее электрона; остальные частицы тяжелее электрона в 1000–3000 раз.
Большинство неустойчивых частиц из таблицы могут до распада переместиться на сантиметр или даже несколько сантиметров, а неустойчивые частицы с наибольшей продолжительностью существования — миллионные доли секунды — преодолеть расстояние даже в несколько сотен метров, которое кажется огромным по сравнению с их размерами.
Все остальные известные частицы относятся к числу «резонансов». Им будет посвящена следующая глава. Резонансы еще менее долговечны, их распад происходит за несколько частице-секунд, и они не могут преодолевать расстояния, превышающие их размеры больше чем в несколько раз. Это значит, что в пузырьковой камере обнаружить их невозможно. Свидетельства их существования могут быть только косвенными. Следы из пузырьков в пузырьковых камерах оставляют только те частицы, которые перечислены в табл. 3. В процессе столкновения они могут возникать и прекращать свое существование, а также превращаться в виртуальные частицы, участвуя во взаимодействиях. Казалось бы, в такой ситуации общее число возможных типов взаимодействий между частицами может быть очень большим, но по причине, которая нам не известна, все взаимодействия делятся на четыре разновидности, характеризующиеся различной степенью присутствующих сил. Перечислим их:
• сильные взаимодействия;
• электромагнитные взаимодействия;
• слабые взаимодействия;
• гравитационные взаимодействия.
Более всего известны электромагнитные и гравитационные взаимодействия, поскольку они наблюдаются и в макроскопическом мире. Гравитационные взаимодействия существуют между всеми частицами, но они настолько слабы, что не обнаруживаются экспериментально. В макроскопическом мире такие взаимодействия большого количества частиц, составляющих массу тела, складываются и порождают макроскопическую силу гравитации, которая является основной силой во Вселенной. Электромагнитные взаимодействия происходят между всеми заряженными частицами. Именно они вызывают все химические реакции, формируют все атомные и молекулярные структуры. Сильные взаимодействия удерживают вместе протоны и нейтроны внутри ядра. Они порождают ядерную силу — самую мощную из всех известных современной науке сил. Так, например, электроны удерживаются поблизости от атомного ядра при помощи электромагнитной силы, обладающей энергией примерно в 10 электрон-вольт (особая внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике), а ядерные силы, связывающие протоны и нейтроны внутри ядра, имеют энергию, равную десяткам миллионов электрон-вольт!
Нуклоны — не единственные частицы, которые участвуют в сильных взаимодействиях. К сильно взаимодействующим относится подавляющее большинство известных частиц. Из всех известных на момент написания книги частиц только пять частиц (как и их античастицы) не могут участвовать в сильных взаимодействиях[213]. Это фотон и четыре лептона, перечисленные в верхней части табл. 3[214]. Мы можем разделить все частицы на две большие группы — лептоны и адроны, или сильно взаимодействующие частицы. Адроны делятся на мезоны и барионы, между которыми много различий. Важнейшее из них заключается в том, что все барионы имеют античастицы, а мезоны могут сами выступать в роли своих античастиц.
Лептоны участвуют во взаимодействиях четвертого типа — слабых. Последние настолько слабы и действуют на таком коротком расстоянии, что не могут удерживать частицы рядом, а три остальные разновидности взаимодействий порождены связывающими силами: сильные взаимодействия связывают атомное ядро, электромагнитные — атомы и молекулы, а гравитационные — планеты, звезды и галактики. Слабые взаимодействия проявляются только в форме столкновения определенных частиц, а также их распада. К числу последних относится и бета-распад, упомянутый выше.
