имеют массы, электрон представляет собой легчайшую частицу из обладающих
массой, мюоны, пионы и каоны в несколько сот раз тяжелее электрона; Ос-
тальные частицы тяжелее электрона в 1000-3000 раз.
Все остальные известные к настоящему времени частицы относятся к чис-
лу так называемых "резонансов". Им посвящена следующая глава. Резонансы
еще менее долговечны, их распад происходит за несколько частице-секунд,
вследствие чего они не могут преодолевать расстояния, превышающие их ра-
змеры больше, чем в несколько раз. Это означает, что пузырьковая камера
оказывается беспомощной и не может обнаружить присутствие этих частиц.
Поэтому свидетельства их существования могут быть только косвенными.
Следы из пузырьков в пузырьковых камерах оставляют только те частицы,
которые перечислены в нашей таблице.
В процессе столкновения все эти частицы могут возникать и аннигилиро-
вать, а также участвовать в виртуальных обменах, осуществляя таким обра-
зом взаимодействия между другими частицами. Казалось бы, при таком раск-
ладе итоговое количество возможных типов взаимодействий между частицами
может быть очень большим, однако по какой-то причине, которая остается
неизвестной, все взаимодействия делятся на четыре разновидности, харак-
теризующиеся различной степенью взаимодействия. Перечислим эти разновид-
ности:
- Сильные взаимодействия.
- Электромагнитные взаимодействия.
- Слабые взаимодействия.
- Гравитационные взаимодействия.
Наиболее известными из них являются электромагнитные и гравитационные
взаимодействия, наблюдающиеся в макроскопическом мире. Гравитационные
взаимодействия наличествуют между всеми существующими частицами, однако
при этом они настолько слабы, что не подвергаются экспериментальной де-
текции. В макроскопическом мире гравитационные взаимодействия большого
количества частиц, составляющих массу тела, складываются и порождают
макроскопическую силу гравитации, которая является основной силой во
Вселенной. Электромагнитные взаимодействия происходят между всеми заря-
женными частицами. Именно они ответственны за все химические реакции, а
также за образование и всех атомных и молекулярных структур. Сильные
взаимодействия удерживают вместе протоны и нейтроны внутри ядра. Они по-
рождают 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 десять
электрон-вольт, в то время как ядерная сила, связывающая нейтроны внутри
ядра, использует энергию, равную десяткам миллионов электрон-вольт-осо-
бых единиц для измерения энергии на субатомном уровне.
Нуклоны-не единственные частицы, которые принимают участие в сильных
взаимодействиях. Как ни странно, к сильновзаимодействующим частицам от-
носится подавляющее большинство всех известных частиц. Из всех частиц
только пять не могут принять участия в сильных взаимодействиях, как,
впрочем, и их античастицы. Это фотон и четыре лептона, перечисленные в
верхней части таблицы. Недавно был обнаружен пятый лептон, получивший
обозначение "тау" (греческая буква т). Также, как электрон и мюон, он
может существовать в двух зарядовых состояниях, соответственно т- и т+,
а поскольку его масса превосходит массу электрона почти в 3500 раз, он
получил название тяжелого лептона. Существование нейтрино, который при-
нимал бы участие только во взаимодействиях с тау, было только постулиро-
вано и остается до сих пор недоказанным экспериментально.
Таким образом, мы можем разделить все частицы не две большие груп-
пы-лептоны и адроны, или сильновзаимодействующие частицы. Адроны, в свою
очередь, делятся на мезоны и барионы, между которыми существует довольно
много различий. Важнейшее из них заключается в том, что все барионы име-
ют античастицы, в то время как мезоны могут сами выступать в роли своих
античастиц.
Лептоны принимают участие во взаимодействиях четвертого типа - в сла-
бых взаимодействиях. Последние настолько слабы и действуют на таком ко-
ротком расстоянии, что не могут удерживать частицы друг подле друга, в
то время как три остальные разновидности взаимодействий порождают силы
притяжения: сильные взаимодействия-внутри атомных ядер, электромагнитные
взаимодействия - внутри атомов и молекул, а гравитационные взаимо-
действия-между планетами, звездами и даже целыми галактиками. Слабые
взаимодействия проявляются в единственной форме-в форме некоторых столк-
новений частиц, а также их распада. К числу последних относится и бе-
та-распад, упоминавшийся выше.
Все взаимодействия между адронами проявляются в обмене другими адро-
нами. Сильные взамодействия действуют только на очень небольших расстоя-
ниях из-за того, что в соответствующих им обменных процессах участвуют
тяжелые адроны. Сильные взаимодействия могут происходить только при том
условии, что расстояние между частицами не превышает нескольких диамет-
ров частицы. Поэтому они не могут создать силу, воздействие которой ска-
залось бы на нашем макроскопическом окружении. В противоположность
сильным, электромагнитные взаимодействия, воплощающиеся в обменах не -
имеющими массы фотонами, могут происходить между сколь угодно далекими
частицами, вследствие чего электрические и магнитные силы хорошо извест-
ны в мире больших измерений. Считается, что гравитационные взаимо-
действия тоже осуществляются при помощи обмена особыми частицами-"грави-
тонами", однако слабость этих взаимодействий настолько велика, что гра-
витоны до сих пор не были обнаружены учеными, хотя никаких серьезных по-
водов сомневаться в их существовании нет.
Наконец, поскольку слабые взаимодействия становятся возможными только
при том условии, что расстояние между частицами предельно невелико-го-
раздо меньше, чем при сильных взаимодействиях, физики считают, что эти
взаимодействия осуществляются при помощи обмена очень тяжелыми частица-
ми. По всей видимости, эти частицы выполняют роль, аналогичную роли фо-
тона при электромагнитных взаимодействиях, и единственное их отличие от
последнего заключается в том, что они гораздо тяжелее. По сути дела,
именно аналогия с фотоном легла в основу последних модификаций теории
квантового поля, получивших название "теории приборов" и позволивших
построить единую теорию поля для электромагнитных и слабых взаимо-
действий.
Во многих процессах столкновений, находящих применение в физике высо-
ких энергий, часто имеют место и сильные электромагнитные, и слабые вза-
имодействия, в результате чего возникают длинные цепочки последова-
тельных превращений частиц. Частицы, первоначально принимавшие участие в
столкновении, аннигилируют, образуя несколько новых частиц, которые тоже
проходят несколько стадий распада, прежде чем превратиться в устойчивые
частицы.
На рис. 35 представлена сложная последовательность столкновений и
распадов частиц: отрицательно заряженный пион (п-) проникает в пузырько-
вую камеру слева, сталкивается с протоном, то есть с ядром атома водоро-
да, который уже находился внутри камеры; обе частицы аннигилируют, в ре-
зультате чего образуется нейтрон (n) или два каона (К- и К+); нейтрон
улетает, не оставляя следа; каон сталкивается с другим, находящимся в
камере протоном, обе частицы аннигилируют, образуя ламбду (Л) и фотон
(гамма). Ни одна из вновь образовавшихся частиц не оставляет видимых
следов в камере, однако ламбда через некоторе время распадается на про-
тон (р) и (п-), каждый из которых оставляет видимый след. На рисунке хо-
рошо видно небольшое расстояние между возникновением ламбды и ее распа-
дом. Наконец, К-, возникший еще при самом первом столкновении, некоторое
время продолжает двигаться, а потом распадается на три пиона.
Здесь изображена одна из таких цепочек возникновений и исчезновений
частиц. Обратите внимание на тот факт, что следы в пузырьковой камере
могут оставлять только заряженные частицы; под воздействием магнитного
поля они отклоняются в различных направлениях, в зависимости от знака
заряда: положительные-по часовой стрелке, а отрицательные-против часовой
стрелки. Этот график представляет собой прекрасное доказательство того
факта, что на уровне частиц материя характеризуется колоссальной слит-
ностью и взаимопроницаемостью, а также достоверное и наглядное изображе-
ние энергетических каскадов, сопровождающих образование и уничтожение
различных структур, или, говоря другими словами, различных частиц.
Особенно поразительными представляются такие случаи, когда лишенный
массы, но наделенный большим количеством энергии фотон, который никак не
обнаруживает своего присутствия в пузырьковой камере, внезапно взрывает-
ся, образуя пару заряженных частиц (позитрон и электрон), которые тут же
начинают двигаться по расходящимся дугам. На рисунке 36 запечатлен про-
цесс, в котором образование пары противоположно заряженных частиц из
электрически нейтрального фотона происходит целых два раза.
На рис. 36 представлена последовательность событий, приводящих к об-
разованию двух электронно-позитронных пар: антипротон (р-) снизу прони-
кает в пузырьковую камеру, сталкивается с одним из протонов и образует
я+ (след, уходящий влево) и я- (след, уходящий вправо), а также два фо-
тона (гамма), каждый иэ которых, в свою очередь, распадается на элект-
ронно-позитронную пару: позитроны (е+), улетающие направо, и электроны
(е-) - влево.
Чем значительнее объем энергии, изначально принимающей участие в про-
цессе столкновения, тем больше частиц может образоваться. На рис. 37
изображено столкновение между антипротоном и протоном, в результате ко-
торого возникает восемь пионов.
Для того, чтобы разогнать частицы до достаточно большой скорости, то
есть, иными словами, для того, чтобы сообщить им достаточно большое ко-
личество энергии, используются мощные ускорители частиц. В большинстве
случаев природные явления, происходящие на Земле, имеют более низкие
энергетические характеристики, вследствие чего тяжелые частицы редко об-
разуются на Земле в естественных условиях. В открытом космосе нас ждет
совершенно иное положение дел: в центре звезд сосредоточены крупные
скопления субатомных частиц, между которыми постоянно происходят естест-
венные столкновения, аналогичные столкновениям внутри ускорителей совре-
менной экспериментальной физики. В некоторых звездах эти процессы порож-
дают чрезвычайно мощное электромагнитное излучение, которое может прини-
мать форму радиоволн, световых волн и рентгеновских лучей. Для астроно-
мов это излучение представляет собой основной источник знаний и информа-
ции о Вселенной. Таким образом, межзвездное, как впрочем, и межгалакти-
ческое, пространство оказывается насыщенным электромагнитными излучения-
ми различных частот, то есть фотонными потоками, обладающими различными
запасами энергии. Тем не менее, фотоны-не единственные частицы, которые
постоянно бороздят просторы космоса. "Космическое излучение" состоит не
только из фотонов, но также и из тяжелых частиц, механизм образования
которых до сих пор не вполне ясен. Большинство этих частиц составляют
протоны; некоторые из них обладают очень большими запасами энергии, нам-
ного превышающими те предельные показатели, которые позволяют достичь
самые мощные ускорители частиц.
Попадая в атмосферу Земли, эти высокоэнергетические "космические лу-
чи" сталкиваются с ядрами атомов, составляющих молекулы различных атмос-
ферных веществ, образуя огромное множество вторичных частиц, которые ли-
бо подвергаются независимому распаду, либо вступают в дальнейшие взаимо-
действия-столкновения. Превращения частиц продолжаются до тех пор, пока
очередные из них не достигнут Земли. Так, один-единственный протон, по-
