§ 3.8 Состав и масса элементарных частиц

§ 3.8 Состав и масса элементарных частиц

Последовательная теория элементарных частиц, которая предсказывала бы возможные значения масс элементарных частиц и другие их внутренние характеристики, ещё не создана.

Советский Энциклопедический Словарь

В настоящее время известно более сотни элементарных частиц [85, 86]. Это изобилие давно привело к мысли, что частицы отнюдь не элементарны, а состоят из ещё более простых элементов. Полагали, что этими элементами должны быть кварки, — гипотетические частицы с невероятными свойствами. Так, любой из кварков много тяжелей частицы, которую они образуют: часть больше целого! Поэтому многие считают, что гипотеза кварков и так называемая квантовая хромодинамика — это чисто формальный способ систематизации частиц. Ну, а такая фундаментальная характеристика частиц как масса, почему-то игнорируется учёными. А, ведь, именно массы позволили Д.И. Менделееву навести порядок в мире химических элементов, среди многих десятков которых царил некогда такой же хаос. На основе известных масс элементов не только была построена их система (таблица Менделеева), но и понято строение атома. Далее покажем, что и для понимания строения элементарных частиц их масса и закон её сохранения, вводимый БТР, может иметь ключевое значение.

Прежде всего, естественно допустить, что наиболее просты и элементарны частицы, обладающие наименьшей массой (так и среди атомов самый простой — водородный). К ним можно отнести электрон, массу М которого обычно берут за единицу измерения масс других частиц (М=1), и мельчайшие из мезонов [86]. А, именно, мюон (?-мезон) — заряженная частица, которая тяжелей электрона в 207 раз (M=207), нейтральный пион (?⁰-мезон, M=264) и заряженный пион (?⁺- или ?^—-мезон с M=273). Думается, именно из этих частиц, как из деталек конструктора, и построены все прочие элементарные частицы, имеющие более высокие значения массы.

И, точно, беря эти три вида мезонов в разных сочетаниях, можно получить массу любой другой частицы. Например, два заряженных и два нейтральных пиона дают в сумме массу 1074,4. Это с точностью до 0,04 % совпадает с массой ?⁰-мезона (M=1074). Так что, эта частица состоит, вероятно, из четырёх пионов: ?⁺, ?^—, ?⁰, ?⁰. Недаром, ?⁰-мезон распадается всегда именно на пионы. Другой пример: 8 заряженных пионов дают в сумме массу 273?8= 2184 — это масса ?⁰-гиперона, отличная от истинной всего на 0,03 %. Значит, лямбда-гиперон состоит из четырёх положительных и четырёх отрицательных пионов: ?⁰=4?⁺ + 4?^—.

Судя по точности и частоте таких совпадений, они — не случайны и должны открыть тайну строения частиц. Для этого достаточно составить несложную компьютерную программу, по-разному комбинирующую массы трёх мезонов (M=207; 264; 273) и находящую совпадения их сумм с известными массами элементарных частиц. Результаты поиска программы сведены в систему (Таблица 2). В первой колонке стоит обозначение частицы, в следующих трёх — её состав (по числу мезонов), в пятой — расчётная масса, в шестой — измеренная, в седьмой — их разница в процентах, не превосходящая 0,2 %.

Из таблицы видно, что некоторые частицы (?⁰, ?^*, ?^*, ?^—, ?^—) можно представить несколькими комбинациями — разными наборами мезонов. Как легко заметить, причина этого в том, что сумма масс 4-х мюонов и ?⁰-мезона почти равна массе 4-х заряженных пионов (M=1092). Это означает, что и сами мезоны — это не элементарные, а составные частицы. Так, нейтральный пион должен, видимо, состоять из четырёх нейтральных частиц, имеющих массу 264/4=66 масс электрона. И каждая такая частица в сочетании с мюоном образует заряженный пион с массой M=207+66 =273 (Рис. 116).

Рис. 116. Состав и схемы распада пионов, следующие из соотношения их масс.

Эти частицы с М=66 пока никем не найдены, поэтому считают, что при распаде нейтрального пиона его масса просто исчезает, полностью переходя в гамма-излучение. Согласно БТР, это невозможно (§ 1.16), и, потому, при распаде пион должен делиться на те самые 4 частицы с М=66, которые лишь потому не открыты, что нейтральны и не оставляют следов в детекторах частиц, если только не считать их следами гамма-излучение. В дальнейшем будем для удобства называть эти частицы "гамма-мезонами" (или "гаммонами"), обозначая греческой ?, ввиду того, что эти продукты распада пионов долгое время принимали за гамма-кванты. В ядерной физике такое случалось и прежде: рождённые распадом нейтроны из-за их нейтральности и трудноуловимости тоже поначалу приняли за гамма-кванты. Наличие гаммона и мюона в составе заряженного пиона подтверждается тем, что последний при распаде образует мюон. Оставшаяся масса 273–207=66, как считают, переходит в энергию. Но, с позиций классической физики, в которой масса сохраняется, следует считать, что эту массу незаметно уносит гаммон.

В таком случае, разные варианты устройства одной и той же частицы окажутся эквивалентны. К примеру, уже рассмотренный ?⁰-гиперон состоит просто из 8-ми мюонов и 8-ми гаммонов, а лишние варианты отпадут. У иных же частиц, напротив, не нашлось даже одного точного способа представления комбинацией мезонов. Таковы нейтрон n, K-мезоны, ?⁰-гиперон и некоторые из частиц-резонансов. Есть, правда, сочетания мезонов, дающие массу почти как у этих частиц (с разницей примерно в 1 %). Однако, неидеальность таких совпадений говорит об их случайности, и программа отсеивает эти варианты, как маловероятные.

Но мы не учли другой возможности. Ведь в мире, помимо частиц, существуют античастицы, такие как позитрон, имеющие, возможно, отрицательную массу (§ 1.6). Раз масса — это количество материи, то у антиматерии масса — минусовая (§ 1.17). Этим же, с позиций классической физики и закона сохранения массы, можно объяснить бесследное исчезновение масс при аннигиляции частиц и античастиц, или, напротив, их рождение. Если в состав частицы, наряду с мезонами, иногда входят антимезоны, имеющие минусовую массу, то числу мезонов в частице можно придавать и отрицательные значения, что породит новые варианты. К примеру, 6 мюонов и один нейтральный антипион дают в сумме массу 206,7?6–264=976,1, что, с погрешностью в 0,2 %, совпадает с массой K⁰-мезона (M=974,1). А 6 мюонов в сумме с заряженным антипионом дают массу 206,7?6–273,1=967,1 одного заряженного K⁺-мезона (M=966,4), с погрешностью в 0,07 %. Поэтому, Таблица 2 дополнится новой (Таблица 3), где знаки минус соответствуют античастицам с антимассой.

Как видим, допустив существование отрицательной массы, можно и оставшиеся частицы представить в виде наборов из 3-х типов мезонов. Причём, античастиц в любом наборе — не больше двух. Если же все пионы разбить на гаммоны и мюоны (?⁰=4?; ?⁺=?+?) и представлять каждую частицу в виде набора из двух типов мезонов (? и ?), то во многих из таких комбинаций отрицательные массы исчезнут. Так, ?⁺=7?+5?; ?^—=?+11?; ?⁰=17?+7?. А в оставшихся случаях от минусовых масс можно избавиться, допустив, что гаммоны есть и в составе мюонов, то есть мюоны — сами составные. Действительно, как увидим в дальнейшем, вполне можно обойтись без минусовых масс, которые до сих пор служили лишь удобным формальным приёмом, и в дальнейшем будут совершенно упразднены (§ 3.20). И позитрон, и другие античастицы имеют положительную инертную и гравитационную массу (§ 1.17). Поэтому, масса частицы всегда складывается из положительных масс образующих её частиц, в том числе электронов и позитронов.

Так или иначе, массу любой частицы всегда можно представить в виде M=66x+207y, где x — число ?-мезонов, а y — ?-мезонов. Придавая x и y различные целые значения, — составляя разные сочетания ?- и ?-мезонов, по-разному комбинируя их, — можно предсказать новые частицы, по крайней мере, узнать их массы. Впрочем, не всякая комбинация мезонов реализуется в природе, поскольку не все такие комбинации устойчивы. Точно так же, теоретически возможны ядра, состоящие из любого числа протонов и нейтронов. Однако, лишь редкие их сочетания оказываются стабильными, устойчивыми. Другие сочетания-изотопы, хоть и менее стабильны, но тоже живут некоторое время. А все прочие сочетания протонов и нейтронов крайне неустойчивы и распадаются почти мгновенно. То же и у сочетаний мезонов: одни из образованных ими элементарных частиц живут сравнительно долго, другие — малоустойчивы и сразу распадаются. Таковы, например, частицы-резонансы (?, ?, ?-частицы и все помеченные звёздочкой).

Может удивить, что в распадах, помимо мезонов, возникают и более крупные частицы. Но это — естественно, если фрагменты, на которые делится частица, состоят из нескольких мезонов. Ведь и тяжёлые атомные ядра при распаде делятся не на десятки отдельных протонов и нейтронов, а на образованные из них сравнительно крупные осколки (Рис. 114). Потому и продукты деления тяжёлых частиц — это, в основном, другие тяжёлые, составные частицы (Рис. 117). А возникающие в распадах пионы и мюоны — это лишь дополнительные мелкие осколки (вроде нейтронов, вылетающих при делении тяжёлых ядер). Образуются и совсем незаметные осколки деления (к примеру, гаммоны), чем вызвано кажущееся уменьшение массы в распадах.

Рис. 117. Распад ядра или элементарной частицы на осколки разной величины, идущий двояким путём.

Кроме соответствия массы, в комбинации надо обеспечить соответствие заряда. Поэтому, в комбинации мезонов, представляющей нейтральную частицу, должно быть поровну положительных и отрицательных зарядов. Например: ?⁰=2?⁰+?^—+?⁺; ?⁰=4?⁺+4?^—. Если же число зарядов нечётное, то комбинацию можно сделать нейтральной, дополнив её одним электроном или позитроном. Зато, в составе заряженной частицы зарядов одного знака должно быть на один больше, чем другого. В этом случае, комбинации с чётным числом зарядов надо дополнить электроном или позитроном. Добавление этих частиц с M=±1 мало влияет на полную массу комбинации, поэтому, до сих пор мы их не привлекали: их назначение — обеспечить в первую очередь соответствие заряда, а не массы. Так, частицы-резонансы (?, ?*, ?*, ?*, ?*), имея строго заданную массу, могут обладать зарядом 0, ±1, ±2,— всё зависит от числа электронов и позитронов в комбинации. Тем, что помимо мезонов в каждую частицу могут дополнительно входить ещё несколько электронов или позитронов, можно объяснить и небольшие (порядка единицы) расхождения между расчётными и измеренными массами. Вообще же, массы некоторых частиц, особенно резонансов, известны с заметной погрешностью.

При делении частицы образующие её мезоны могут разбиться на разные сочетания. Такая частица распадается несколькими путями: в одних случаях давая одни продукты, в других — другие (Рис. 117). Физики считают это доказательством превращения частиц, — совсем как алхимики, видевшие в химических реакциях превращения веществ, хотя реально шла лишь перегруппировка атомов. Аналогично, "превращения" частиц вызваны перегруппировкой мезонов: мезонный состав частицы можно разбить на две-три группы разными способами, эти группы образуют разные частицы. В конце концов, ведь и тяжёлые ядра распадаются несколькими путями. Какие из частиц возникают в распаде чаще, зависит от устойчивости данных сочетаний мезонов, от энергии их связи в частице, а, значит, и от энергии распада.

Итак, выяснили, что почти все частицы построены из мезонов. Даже экспериментально мезоны были найдены, скажем, — в нейтронах, в форме окружающей их мезонной оболочки и отдельных точечных зарядов (партонов), на которых происходило рассеяние при зондировании [165]. Сами мезоны тоже не элементарны, и могут быть, в свою очередь, образованы электронами и позитронами (§ 3.9).

Теперь видно, насколько эффективны классические представления БТР — и в микромире. Именно они ведут к пониманию структуры элементарных частиц, чего не позволяла сделать квантовая механика. Ещё Дж. Фокс [2] указал на огромный потенциал теории Ритца в объяснении явлений микромира. По мнению Фокса, большой объём эмпирических данных: масс, времён жизни, структур элементарных частиц, — может найти истолкование именно в теории Ритца. Но из-за слепой веры учёных в теорию относительности, отказа от закона сохранения массы, открытого Ломоносовым (§ 3.13), современная наука не в силах объяснить точных соотношений между массами частиц и показать, почему масса данной частицы такая, а не иная. А для БТР это не проблема, так же, как и кинематика высоких скоростей, и дефект масс, и прочие законы микромира, возможные якобы лишь по СТО. И, хотя некоторые ядерные эксперименты приводят в качестве опровергающих БТР [153], они противоречат теории Ритца не больше, чем космические наблюдения (Часть 2). Дж. Фокс показал, что несоответствие чаще возникает не по вине БТР, а от неразвитости наших представлений о микромире и космосе. Привлекать явления для проверки теории Ритца можно, лишь пересмотрев их на её базе. А, если БТР раскроет строение частиц, к примеру, — нейтрона, то сразу откроются и новые источники энергии (§ 5.8).