Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Глава 18 Элементарные частицы

К 1932 году сложилось довольно простое представление о структуре вещества. Считалось, что атомное ядро состоит из протонов и нескольких электронов. Эти электроны служили для нейтрализации электрического заряда некоторых протонов, поскольку атомный вес всех элементов, за исключением легкого изотопа водорода, превышает их атомный номер, указывающий электрический заряд ядра. Явление бета-излучения, когда электрон вылетает из ядра, поддерживало мнение о том, что электроны входят в состав ядра. Все вещество состоит из двух типов элементарных частиц: из легких отрицательно заряженных электронов и массивных положительных протонов. Из комбинаций этих частиц можно собрать ядро любого элемента. Добавив нужное число обращающихся вокруг ядра электронов, можно получить любой элемент. А химические соединения элементов дают все многообразие вещества во всех его формах.

Эта простая картина рухнула в «сумасшедшем» для физиков 1932 году. Первым значительным событием этого года стало открытие новой элементарной частицы — нейтрона. Главная заслуга в этом принадлежит Джеймсу Чедвику (1891–1974). Он был студентом Резерфорда в Манчестере, а в момент открытия нейтрона работал заместителем директора Кавендишской лаборатории.

Если бериллиевую мишень бомбардировать быстрыми альфа-частицами, то бериллий начинает испускать неизвестные глубоко проникающие лучи. Сначала Чедвик обнаружил, что эти лучи не являются электромагнитным излучением, а состоят из частиц. Затем он сделал вывод, что эта частица не может иметь электрического заряда, поскольку она проникает в вещество гораздо легче, чем протоны. И, наконец, его опыты со столкновениями показали, что масса этой частицы примерно равна массе протона. Чедвик назвал эту частицу нейтроном из-за ее электрической нейтральности. Написанная им тогда фраза висит в Библиотеке Тринити-колледжа в Кембридже: «Эврика! Я нашел ее!» Но он не верил, что это была элементарная частица, а считал, что она состоит из протона и электрона (то же самое предполагал Резерфорд еще в 1920 году).

В 1932 году в журнале Nature Чедвик высказал подозрение, что нейтрон может быть элементарной частицей. Эта мысль укрепилась спустя два года, когда Чедвик и Морис Гольдхабер измерили массу нейтрона: он оказался немного тяжелее, чем протон и электрон вместе взятые. Это противоречило модели сложной частицы. Более того, вскоре обнаружилось, что между ядерными частицами действует раннее неизвестная сила, которая не различает протоны и нейтроны. Следовательно, нейтрон такая же элементарная частица, как протон.

Эта ядерная сила должна быть силой притяжения, чтобы заряженные протоны не смогли вытолкнуть друг друга из ядра. Внутри ядра эта сила должна превосходить электрическое отталкивание протонов. По современным данным, ядерная сила притяжения между двумя протонами превышает их электростатическое отталкивание примерно в 100 раз. С другой стороны, действие этой силы не может распространяться далеко за пределы атомного ядра, где доминирует электрическая сила, удерживающая электроны в атоме. Поэтому ядерная сила должна ослабевать с расстоянием быстрее, чем по закону обратных квадратов ослабевает электростатическая (кулоновская) сила.

Эту странную ядерную силу объяснил Хидеки Юкава (1907–1981), первый японец, получивший Нобелевскую премию в 1949 году. Чтобы объяснить, как влияние ядерной силы передается между частицами, Юкава предложил новую идею: частица «сообщает» вокруг о своем существовании, излучая частицы-вестники. Когда вестник встречает другую частицу, он передает информацию о своем источнике, и получающая ее частица знает, как на это реагировать. Когда частицы связаны между собой посредством вестников, они знают, что нужно держаться вместе и не разбегаться.

Эта идея была не такой уж необычной для объяснения ядерной силы: электромагнитную силу можно объяснить точно так же. «Кусочки» электромагнитного поля — энергетические пакеты — летают между зарядами, неся свои сообщения. С этой точки зрения, поле электромагнитных сил состоит из фотонов.

Согласно Юкаве, главное различие между электромагнитным полем и полем ядерной силы состоит в массе вестника. Фотоны электромагнитного поля не имеют массы, в то время как вестники поля ядерной силы являются частицами с массой, отличной от нуля. Юкава предсказал, что эти частицы в 200–300 раз тяжелее электрона. Таким образом, вестник ядерной силы должен располагаться по массе между ядерными частицами и электроном (протон в 1836, а нейтрон в 1839 раз тяжелее электрона). Частицы такого типа называют мезонами, из греческого «meso» — средний. Область влияния частицы-вестника зависит от ее массы: чем тяжелее вестник, тем меньше область. Только частицы без массы, такие как фотоны, могут распространять свое влияние на любое расстояние.

В современной физике метание частиц-вестников взад и вперед заменило собой вихри Декарта, действие на расстоянии Ньютона, силовые линии Фарадея и волны в эфире. Разумеется, теориями Ньютона и Фарадея все еще пользуются для вычисления гравитационной и электромагнитной силы. Однако новые силы, открытые в XX веке, лучше описываются методом Юкавы, и сильное ядерное взаимодействие стало первым тому примером.

Юкава предсказал свои частицы-вестники в 1935 году. Через два года в потоках космических лучей (частицы, приходящие на Землю из космоса) была обнаружена новая частица в 207 раз тяжелее электрона; она была хорошим кандидатом в вестники. Время ее жизни оказалось маленьким: в среднем за две микросекунды она разрушается на другие частицы. Однако дальнейшие исследования показали, что эта частица, названная мюоном, скорее является тяжелой формой электрона, а не вестником. Прошло еще 12 лет, и группа Сесила Пауэлла (1903–1969) в Бристольском университете впервые увидела частицу Юкавы — пион. Существуют два типа пионов — заряженный (в 273 раза массивнее электрона) и нейтральный (264 массы электрона).

По нашим меркам, заряженный пион живет очень мало: в среднем 2,6 x 10^-8 с. Но нам следует сравнивать время его жизни с «ядерным годом» — временем, необходимым ядерной частице для одного оборота вокруг ядра, а оно составляет всего 10^-22 с. Так что пион живет в 10¹⁴ раз дольше ядерного года, что выглядит вечностью в ядерной шкале времени. В этой шкале даже нейтральный пион, распадающийся в среднем за 10^-16 с, тоже живет очень долго. Если предположить, что «предназначением» пионов в природе является передача ядерной силы, то им нет необходимости жить так долго.

Мы дошли до картины, в которой атомное ядро содержит одну или нескольких ядерных частиц, движущихся друг вокруг друга в маленьком объеме ядра под действием притяжения ядерной силой. Существует два типа ядерных частиц: протоны и нейтроны. Можно представить облако пионов, мечущихся между этими частицами и создающих ядерную силу. Ядро также может обладать плотными скоплениями двух протонов и двух нейтронов, которые могут выбрасываться из ядра как альфа-частицы. По аналогии с электроном, прыгающим между энергетическими уровнями, ядерные частицы могут так перестраивать свои орбиты, что энергия высвобождается в виде высокоэнергичного гамма-излучения. Энергия ядерных процессов значительно больше, чем атомных, примерно в миллион раз. Этим объясняется преимущество (на единицу веса) ядерного топлива, используемого на атомных электростанциях, по сравнению с химическим топливом обычных электростанций. Этим же объясняется гигантская мощь ядерных взрывов.

Если в ядре нет электронов, то как быть с бета-излучением, когда из ядер вылетают электроны? Это объяснил блестящий итальянский физик Энрико Ферми всего через год после открытия нейтрона (рис. 18.1).

Рис. 18.1. Энрико Ферми (1901–1954) внес значительный вклад в ядерную физику.

Ферми предположил, что внутри атомного ядра действует еще и другая ядерная сила, названная слабой силой. Она приводит сначала к рождению электрона, а затем к его выбросу из ядра; при этом нейтрон превращается в протон. Мы поймем этот процесс лучше, когда познакомимся с внутренней структурой нейтрона и протона.

Теория Ферми замечательна еще и тем, что она предсказала существование новой элементарной частицы — нейтрино. На этот «маленький нейтрончик» не действуют ни электромагнитная сила, ни сильное ядерное взаимодействие. Его единственная связь с внешним миром осуществляется посредством слабой силы. Область действия слабой силы очень мала — всего 1 % диаметра протона, а по своему усилию она в 100 000 раз уступает сильному ядерному взаимодействию. Так что нейтрино должно очень тесно приблизиться к своему соседу, чтобы они почувствовали влияние друг друга. Поэтому вначале о существовании нейтрино догадались косвенно, заметив странную потерю энергии при бета-распаде. Вольфганг Паули понял, что потерянная энергия ускользает в виде неуловимых частиц. Нейтрино обычного типа имеет массу менее 10^-4 массы электрона; существует и другие виды нейтрино (мы с ними познакомимся), массы которых еще меньше.

Для нейтрино столкновение с другими частицами настолько маловероятно, что оно может свободно пройти сквозь свинцовую стену толщиной в световые годы! Только при огромном количестве нейтрино некоторые из них удается захватить приборами. Впервые в 1955 году нейтрино было зарегистрировано вблизи ядерного реактора в Саванна-Ривер (США). За последние десятилетия были обнаружены нейтрино из «термоядерного реактора» в центре Солнца и из других астрономических источников. Считается, что нейтрино — одни из самых многочисленных частиц во Вселенной, но их очень трудно наблюдать.

Всего лишь через день после того, как Чедвик послал свою статью об открытии нейтрона в журнал Nature, другой журнал, Physical Review, получил известие о втором важнейшем открытии 1932 года, сделанном группой ученых из Колумбийского университета (Нью-Йорк) под руководством химика, физика и астронома Гарольда Юри (1893–1981).

Вспомним объяснение странного атомного веса хлора — 35,46, лежащее почти посередине между двумя целыми числами. В природе существует два вида хлора, два «изотопа», с весами 35 и 37. Вообще, у большинства химических элементов есть по нескольку изотопов. Всего химических элементов известно немногим более ста, а число изотопов превышает 2000, хотя стабильны из них только 280. В ядре хлора 17 протонов соединяются с 18 или 20 нейтронами. Таким образом, атомное число, определяющее химические свойства, в обоих случаях равно 17, но атомные веса различаются: 17 + 18 и 17 + 20; кроме того, существуют редкие изотопы хлора: 17 + 19 = 36 и 17 + 23 = 40.

Еще до 1932 года появилось предположение, что водород может иметь несколько изотопов, так как атомный вес водорода в природе превышает вес протона. Различие настолько мало (относительное превышение составляет около 10^-4), что сказать что-либо определенное было невозможно. Требовалось выделить в чистом виде тяжелую форму водорода, но это очень трудно, поскольку химические свойства изотопов одинаковые. Юри с коллегами смог сделать это. Теперь уже не составляло труда показать, что тяжелый водород имеет атомный вес 2, а значит, его ядро содержит один протон и один нейтрон. Это вещество назвали дейтерием, хотя по сути это водород, точнее — его тяжелая разновидность. Но дейтерий заслужил свое «отдельное» название: он играет ключевую роль в изучении ядерной силы, так как движение двух тел легче исследовать, чем движение трех тел (вспомним о сложной задаче трех тел, движущихся под действием гравитации; см. главу и).

В ядрах элементов возможны не любые комбинации протонов и нейтронов. В массивных ядрах число нейтронов немного больше числа протонов. Если мы пытаемся искусственно уменьшить число нейтронов настолько, что оно выйдет за рамки возможных значений, ядро станет неустойчивым и начнет меняться за счет радиоактивности до тех пор, пока не превратится в стабильное ядро (рис. 18.2).

Рис. 18.2. Ядра состоят из протонов (серые шарики) и нейтронов (темные шарики). Ядро урана состоит из 92 протонов и 146 нейтронов. Это одно из самых тяжелых среди известных атомных ядер.

Хотя о существовании атомного ядра было известно с 1911 года, настоящее рождение ядерной физики произошло в 1932 году. В тот «сумасшедший» год, кроме уже упомянутых открытий, начал действовать самый важный прибор ядерной физики — ускоритель частиц. До этого момента атомные ядра исследовали путем их бомбардировки частицами, вылетающими из радиоактивных веществ. При стоимости, например, радия в 100 000 долларов за грамм это делало создание сильного потока частиц чрезвычайно дорогам. Кроме того, для расщепления тяжелых ядер требуется поток частиц, имеющих скорость гораздо выше той, с которой частицы испускаются природными источниками.

Заряженные частицы можно ускорить, если дать им пройти через большую разность потенциалов. Если электрон пролетает через разность потенциалов 1 вольт, он ускоряется до энергии в 1 электронвольт (эВ, удобная единица энергии). В химических реакциях изменение энергии на атом обычно составляет около 1 эВ. А в ядерных реакциях типичная энергия на атомное ядро составляет миллионы электронвольт (МэВ).

Джон Кокрофт (1897–1967) и Эрнест Уолтон (1903–1995) построили в Кавендишской лаборатории ускоритель с разностью потенциалов в 700 000 вольт. В 1932 году, используя эту разность потенциалов, они ускорили протоны и бомбардировали ими литиевую мишень, за которой поместили экран из сульфида цинка, регистрирующий вспышки, вызванные альфа-частицами. Бьющие по литию протоны расщепляют ядра лития на альфа-частицы (ядра гелия). Это и было первым искусственным превращением одного атомного ядра в другое (рис. 18.3).

Тогда же американец Эрнест Лоуренс (1901–1958) разработал более мощный ускоритель, названный циклотроном (рис. 18.4). Лоуренс закончил Йельский университет и затем перебрался в Калифорнийский университет. Там он обнаружил статью норвежца Рольфа Видерое, который считал, что частицы легко можно ускорять шаг за шагом, если они движутся по кругу отклоняемые магнитным полем. На каждом обороте частицы проходят сквозь разность потенциалов и увеличивают свою скорость. В 1932 году Лоуренс со своим студентом построили такой ускоритель и использовали его для разгона частиц до энергий более 1 МэВ. Они смогли подтвердить результаты Кокрофта и Уолтона. Циклотроны вскоре стали широко использоваться: через пять лет в мире работало уже около двадцати таких ускорителей.

Рис. 18.3. В первых ускорителях частиц умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона создавал необходимый перепад напряжения. Здесь показано такое устройство, созданное в 1937 году фирмой «Филипс» и сейчас хранящееся в Национальном музее науки в Лондоне.

В начале 1950-х годов циклотрон получил дальнейшее развитие в виде синхротрона, в котором энергия столкновений превзошла 1000 МэВ (это 1 ГэВ, гигаэлетронвольт). Сейчас самый мощный ускоритель находится в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве. К тому же в ЦЕРНе заканчивается строительство нового коллайдера (ускоритель на встречных пучках) — Большого адронного коллайдера (БАК), занимающего круговой туннель длиной 27 км. Этот туннель находится на глубине около 100 метров между Женевским аэропортом и ближайшими Юрскими горами. Прежде чем попасть в это огромное кольцо, частицы будут ускоряться поэтапно, каждый раз увеличивая свою скорость и энергию: предварительные стадии включают в себя линейный ускоритель, бустер, протонный синхротрон и протонный суперсинхротрон. В главном круговом ускорителе, двигаясь в противоположных направлениях по двум трубам, протоны будут разгоняться до скорости в 0,99 999 999 от скорости света! БАК будет сталкивать протоны с энергией 7 ТэВ (ТэВ = 1000 ГэВ) каждый, с полной энергией столкновения 14 ТэВ. Каждый протон будет обладать кинетической энергией летящего комара — для протона это гигантская энергия! При таких энергиях, в миллионы раз превышающих те, которые достигал Лоуренс, могут рождаться частицы совершенно нового типа (рис. 18.5).

Рис. 18.4. Схема работы циклотрона из патента Лоуренса 1934 года.

В 1932 году частицы детектировались с помощью камеры Вильсона, заполненной водяным паром в сверхкритическом состоянии, так что капельки воды конденсировались вдоль траекторий заряженных частиц. С помощью фотографии можно было обнаружить траекторию заряженной частицы, которая только что пролетела сквозь камеру. Магнитное поле в камере меняло направление траектории: определив, насколько сильно и в каком направлении искривилась траектория, можно было отождествить частицу. В 1950-е годы стал использоваться более совершенный детектор — пузырьковая камера. В ней траектории частиц представлены в виде четких линий из пузырьков в жидкости. Их можно сфотографировать с разных направлений и проанализировать. Сейчас применяется много новых высокоавтоматизированных методов детектирования.

Четвертое крупное открытие в 1932 году сделал Карл Андерсон (1905–1991), изучавший траектории космических лучей в камере Вильсона. Среди прочих частичек американский физик нашел одну, траектория которой была в точности как у электрона, но в магнитном поле она отклонялась в другом направлении, то есть частица имела положительный заряд (рис. 18.6). Андерсон многими способами проверил этот удивительный результат и затем опубликовал его. Так был открыт позитрон.

Рис. 18.5. Компоненты Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе. Несколько последовательных систем постепенно ускоряют протоны до высоких скоростей. В туннеле коллайдера находятся крупные детекторы для регистрации взаимодействия пучков протонов, летящих по кругу навстречу друг другу (рис. с домашней страницы ЦЕРН: http://public.web.cern.di/Public).

Андерсон не знал, что английский физик Поль Дирак (1902–1984) много лет назад предсказал существование позитрона. Не только электрон, но и другие элементарные частицы должны иметь двойников с противоположным зарядом. Такие двойники называются античастицами. Наряду с электроном, протон должен иметь свою античастицу. В принципе, должен существовать целый «антимир», в котором атомные ядра имеют отрицательно заряженные антипротоны, а вокруг ядра обращается облако положительно заряженных позитронов. Все химические реакции должны проходить там так же, как в нашем мире.

Антивещество, состоящее из античастиц, не существует в значительных количествах. Это легко понять: вещество и антивещество не могут мирно сосуществовать. Когда встречаются электрон и позитрон, они уничтожают друг друга, превращаясь в гамма-излучение. Точно так же уничтожают друг друга протоны и антипротоны (которые были обнаружены в 1955 году). Поскольку каждая частица должна иметь свою античастицу, список известных частиц сразу стал вдвое длиннее. Благодаря открытиям необычного 1932 года, Чедвик, Андерсон, Юри, Лоуренс, Кокрофт и Уолтон стали лауреатами Нобелевской премии 1934 и 1951 годов.

Рис. 18.6. Гамма-квант проникает в пузырьковую камеру сверху и рождает пару электрон-позитрон. Под действием магнитного поля орбита позитрона заворачивает налево, а орбита электрона — направо. Из той же точки выходит траектория еще одного электрона, более быстрого. Ниже видно рождение еще одной электрон-позитронной пары. Рисунок основан на фотографии, полученной пузырьковой камерой Лоуренсовской лаборатории в Беркли.

Некоторое время протоны и электроны считались настоящими неделимыми «атомами». Но оказалось, что природа не настолько проста. По мере увеличения мощности ускорителей росло и число обнаруженных элементарных частиц. Как и столетие назад в случае с химическими элементами, в ряду элементарных частиц тоже наметилась некоторая систематика. Частицы делятся на три основных группы: лептоны, адроны и фотоны. Лептоны не чувствуют сильного ядерного взаимодействия, и размер их настолько мал, что во всех проведенных до сих пор экспериментах со столкновениями они вели себя как точечные массы («лепто» по-гречески означает «маленький»). К лептонам относятся электрон, мюон и тау-лептон (тауон). Последний был открыт в 1977 году. Хотя он в 3500 раз тяжелее электрона, он входит в состав лептонов из-за других своих характеристик. Кроме этих трех частиц, к лептонам относят и три типа соответствующих им нейтрино, которые увеличивают число известных лептонов до шести; а если к этому прибавить и античастицы, то число лептонов увеличится до 12.

Адроны чувствуют сильное ядерное взаимодействие. К ним относятся ядерные частицы (протоны и нейтроны) с их родственниками, называемые барионами, а также «вестники» ядерного взаимодействия, пионы с их родственниками, называемые мезонами. В 1960-е годы стало ясно, что адроны не являются истинно элементарными частицами, а состоят из более мелких частей — кварков. Когда протоны и нейтроны бомбардируются электронами и мюонами, они ведут себя как если бы они в основном были пустыми, за исключением нескольких точечных центров (похоже на эксперимент Резерфорда!) Диаметр протона около 10^-12 мм; это как раз та область, где движется кварк. Сам кварк намного меньше; вероятно, он точечный.

Начиная с 1950-х годов Мюррей Гелл-Манн стал искать порядок среди элементарных частиц и, как и Менделеев до него, обнаружил закономерности и предсказал новые частицы. Гелл-Манн и Джордж Цвейг — оба из Калифорнийского технологического института — в 1964 году независимо друг от друга предположили, что протон и нейтрон состоят из трех кварков. Вообще-то вначале на кварки смотрели как на удобный математический прием для проведения вычислений в сложной физике элементарных частиц. Идея кварков не получила широкого одобрения, поскольку сами кварки не были найдены.

Казалось бы, заметить кварки было несложно, ведь они обладают дробным электрическим зарядом. Самые важные кварки — это верхний кварк (up quark) с электрическим зарядом +2/3 и нижний кварк (down quark) с зарядом -1/3 (как обычно, заряд электрона в этих единицах равен -1). Но в пузырьковой камере не видно никаких дробных зарядов: все частицы имеют либо заряд электрона, либо кратный ему заряд. Тем не менее твердые ядра внутри протона и нейтрона хорошо согласуются с теорией кварков; похоже, что по крайней мере там кварки существуют. Сейчас считается, что кварки прочно связаны в ядерных частицах. В отличие от других частиц, кварки не могут существовать по отдельности: им требуется один или два партнера.

В модели кварков барион состоит из трех кварков. Так, протон сложен из двух верхних кварков и одного нижнего кварка, а нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка. Мезон же состоит из двух кварков, один из которых является обычной частицей, а второй — античастицей. Например, нейтральный пион — это комбинация верхнего кварка со своим антикварком, а положительный пион состоит из верхнего кварка и нижнего антикварка (рис. 18.7). В исходной кварковой модели был и третий кварк, названный странным кварком (strange quark). Он был нужен для объяснения так называемых странных частиц.

Рис. 18.7. Протон (слева) состоит из двух верхних кварков (u) и одного нижнего кварка (d). Справа показан пион (π-мезон), состоящий из верхнего кварка и нижнего антикварка.

До начала 1970-х годов было достаточно трех видов кварков для объяснения всех известных адронов. Затем группа Бартона Рихтера из Стенфордского университета и группа Самюэля Тинга из Брукхейвенской национальной лаборатории открыли новую частицу, которая не укладывалась в систему Гелл-Манна и Цвейга. Рихтер назвал ее ψ («пси»), а Тинг — J («джей»). Даже если частица J/ψ («джей-пси») является мезоном, ее масса примерно втрое превышает массу протона. Чтобы понять это, потребовалось ввести новый кварк, названный очарованным кварком (charm quark). Таким образом, J/ψ состоит из очарованного кварка и очарованного антикварка. Реальность очарованного кварка вскоре была подтверждена: обнаружились и другие частицы, в состав которых входит очарованный кварк.

Всего лишь через два года пришлось ввести еще один кварк, прелестный кварк (bottom quark). Группа под руководством Леона Ледермана из лаборатории им. Ферми близ Чикаго нашла частицу, названную и (ипсилон), масса которой в десять раз превышает массу протона. Это массивный мезон, комбинация двух кварков — прелестного кварка и прелестного антикварка. Последним кварком — хотелось бы в это верить! — стал истинный кварк (top quark), открытый в 1995 году в лаборатории им. Ферми. Таким образом, полное число кварков равно шести, как и число лептонов (или 12, если считать античастицы). Три из них — верхний, очарованный и истинный — имеют электрический заряд +2/3, а остальные три — нижний, странный и прелестный — обладают зарядом —1/3.

Удивительно, что из всех базовых частиц только четыре необходимы как строительные блоки для обычного вещества: из лептонов — только электрон и электронное нейтрино, а из кварков — только верхний и нижний. Остальные элементарные частицы, похоже, лишние. Эти четыре важнейшие частицы называются частицами первого поколения; остальные восемь от носят ко второму и третьему поколениям. Мы не знаем, почему природа копирует себя еще двумя поколениями частиц большей массы (врезка 18.1).