ельный аспект внутренней структуры адрона.
Определяя структуру адрона как его возможность вступать в различные взаимодействия, теория S-матрицы придает понятию структуры динамический характер. Такая трактовка согласуется с экспериментальными данными. В ходе высокоэнергетических столкновений адроны всегда преобразуются в комбинации других адронов, поэтому можно утверждать, что они потенциально «состоят» из этих сочетаний. Каждая из образующихся при этом частиц будет подвергаться дальнейшим преобразованиям, создавая целую сеть событий, которую можно запечатлеть с помощью пузырьковой камеры. Примеры таких цепочек реакций изображены на рис. 64 и в главе 15.
Рис. 64. Сеть реакций с участием протонов, антипротонов, пары лямбда-антилямбда и нескольких пионов
Состав такой цепочки во время конкретного эксперимента определяется случайностью, но каждая сеть выстраивается по вполне определенным законам. Это уже упоминавшиеся законы сохранения, согласно которым могут происходить только такие реакции, в которых неизменен определенный набор квантовых чисел. Прежде всего константой для каждой реакции должно быть суммарное количество энергии. В ходе реакции могут возникать только те частицы, для образования массы которых достаточно задействованной энергии. Создаваемые частицы должны в совокупности обладать теми же квантовыми числами, что и частицы, изначальное участвовавшие во взаимодействии. Возьмем, например, взаимодействие протона и π—. Суммарный электрический заряд этих частиц равен 0. В результате столкновения они могут распасться и преобразоваться в нейтрон и π0, но не в нейтрон и π+, так как суммарный электрический заряд второго сочетания равен +1.
Следовательно, адронные реакции — поток энергии, в котором возникают и распадаются частицы. Но энергия может «течь» только по определенным «каналам», характеризуемым квантовыми числами, которые сохраняются во время сильных взаимодействий в качестве констант. В теории S-матрицы понятие канала реакции имеет более фундаментальное значение, чем понятие частицы. Оно определяется как набор квантовых чисел, присущий различным адронным сочетаниям, а зачастую и отдельным адронам. Какое именно сочетание адронов пройдет через тот или иной канал, определяется вероятностью, но зависит в первую очередь от имеющегося количества энергии. Диаграмма на рис. 65 показывает взаимодействие между протоном и К—, в ходе которого образуется нейтрон как промежуточное состояние.
Рис. 65. Взаимодействие протона и К—
Канал реакции состоит сначала из двух адронов, потом — из одного, а затем — снова из первоначальной пары адронов. При наличии большого количества энергии тот же канал мог бы быть образован парами Λ — К0, Σ — К+ и другими комбинациями частиц.
Еще удобнее рассматривать в понятиях каналов резонансы — крайне недолговечные состояния адронов, которые характерны для всех сильных взаимодействий. Это настолько эфемерные явления, что физики сначала даже не хотели классифицировать их в качестве частиц, да и сегодня более точное определение свойств резонансов остается одной из важнейших задач экспериментальной физики высоких энергий. Резонансы возникают во время столкновений между адронами и почти сразу распадаются. В пузырьковой камере они не обнаруживают своего присутствия, и выявить их можно только благодаря определенному изменению вероятностных характеристик реакций. Вероятность возникновения реакции при столкновении двух адронов зависит от количества задействованной энергии. При его изменении вероятность реакции тоже меняется; причем при увеличении энергии она может не только возрасти, но и уменьшиться в зависимости от конкретных условий. При некоторых значениях энергии вероятность реакции резко возрастает; она будет происходить гораздо чаще, чем при всех остальных. Рост вероятности связан с образованием недолговечного промежуточного адрона с массой, равной количеству энергии, при котором отмечается резкое увеличение вероятности.
Причина, по которой эти недолговечные адронные состояния получили название резонансов, может быть описана аналогией из механики, связанной с хорошо известным явлением резонанса при колебаниях. Мы знаем, что воздух внутри полого предмета слабо реагирует на приходящие извне звуковые волны. Но если волны достигнут определенной частоты, называющейся частотой резонанса, этот же воздух начнет резонировать, т. е. совершать очень сильные колебания. Канал адронной реакции тоже можно уподобить такой резонирующей полости: энергия столкновения адронов связана с частотой соответствующей вероятностной волны. Когда энергия, или частота, достигает определенного значения, канал начинает «резонировать», колебания вероятностной волны усиливаются, что вызывает резкий скачок вероятности реакции. Большинство каналов реакции имеют несколько резонансных значений энергии, каждое из которых соответствует массе недолговечного промежуточного адронного состояния, которое образуется, когда энергия сталкивающихся частиц достигает резонансного значения.
В рамках теории S-матрицы вопрос о том, являются ли резонансы частицами, не существует. Все частицы рассматриваются как промежуточные состояния в цепи взаимодействий, и тот факт, что продолжительность существования резонансов гораздо меньше, чем для других адронов, не создает принципиального различия. На самом деле «резонанс» — очень удачное название. Оно относится одновременно и к событиям в канале реакции, и к адрону, образующемуся в процессе этих событий, демонстрируя неразрывную связь между частицами и реакциями. Резонанс — частица, но не объект. Он гораздо лучше описывается как событие, процесс или явление.
Это описание адронов в понятиях физики частиц вызывает в памяти уже цитировавшееся выше высказывание Дайсэцу Судзуки о том, что буддисты воспринимают объект как событие. То, что открылось им благодаря мистическому интуитивному пониманию природы, было вновь открыто в рамках экспериментов и математических теорий современной науки.
Чтобы описать адроны как промежуточные состояния в цепи реакций, нужно понимать силы, при помощи которых происходит взаимодействие между ними. Они принадлежат к числу сил сильного взаимодействия, которые отклоняют, или «рассеивают», адроны, участвующие в столкновениях, уничтожая их или преобразуя в другие формы, а также связывают их в группы, создавая промежуточные связанные состояния. В теории матрицы рассеивания, как и в теории поля, силы взаимодействий ассоциируются с частицами, но понятие виртуальной частицы не используется. Отношения между силами и частицами основываются на особом свойстве S-матрицы, известном под названием «кроссинг». Рассмотрим его на примере следующей диаграммы, отражающей взаимодействие между протоном и π— (рис. 66).
Рис. 66. Реакция между протоном и античастицей
Если мы повернем этот график на 90°, придерживаясь принятого ранее условия, согласно которому стрелки, направленные вниз, означают античастицы, мы увидим, что диаграмма представляет взаимодействие антипротона () и протона (р), в результате которого образуется пара пионов, причем π+ являет собой античастицу π— из исходной реакции (рис. 67).
Рис. 67. Реакция протона и антипротона
Свойство «кроссинга», т. е. пересечения, характерное для S-матрицы, в данном случае заключается в том, что оба процесса могут быть изображены при помощи одного и того же элемента S-матрицы: два наших графика соответствуют различным аспектам, или «каналам», одной и той же реакции[233]. Для физиков, изучающих частицы, переходы от одного канала к другому в вычислениях обычны, и вместо того, чтобы переворачивать диаграмму, они читают ее снизу вверх или слева направо и говорят при этом о «прямом канале» или «кросс-канале». Таким образом, реакция в нашем примере будет прочитана как р + π— → р + π— — в прямом канале и как + р → π— + π+ в кросс-канале (рис. 68).
Рис. 68. Иллюстрация реакции
Связь между силами и частицами осуществляется через промежуточные состояния в обоих каналах. В нашем случае в прямом канале протон и π— могут образовывать промежуточный нейтрон, а кросс-канал — состоять из промежуточного нейтрального пиона (π0) (рис. 69–70).
Рис. 69. Прямой канал
Рис. 70. Кросс-канал
Этот пион — промежуточное состояние в кросс-канале — можно рассматривать как проявление силы, которая действует в прямом канале и связывает протон и π—, создавая нейтрон. Чтобы соотнести силы с частицами, нам необходимы оба канала: то, что в одном является силой, в другом будет проявляться в виде промежуточной частицы.
Хотя переключение с одного канала на другой не представляет больших трудностей математически, получить интуитивную картину того, что при этом происходит, крайне сложно, если вообще возможно. «Кроссинг» — типично релятивистское явление, вытекающее из математической модели четырехмерной теории относительности и с трудом поддающееся визуализации. С похожей ситуацией мы сталкиваемся и в теории поля, где силы взаимодействия рассматриваются в виде обменов виртуальных частиц. Диаграмма, на которой изображен промежуточный пион в кросс-канале, чем-то напоминает диаграммы Фейнмана, использующиеся для описания взаимодействий частиц[234]. Можно условно говорить о том, что протон и π— взаимодействуют путем обмена пионом π0. Такие выражения нередко встречаются в речи физиков, но они не вполне точны. Более адекватное толкование происходящего требует использования абстрактных понятий прямого и кросс-каналов, которые практически невозможно представить себе зрительно.
Несмотря на различные математические модели описания теорий, общее понимание сил взаимодействия в теории S-матрицы очень схоже с таковым в теории поля. В обеих теориях силы проявляются в форме частиц, масса которых определяет радиус действия. Обе теории видят в этих силах имманентные свойства взаимодействующих частиц. В теории поля силы — отражение структуры виртуальных облаков частиц, а в теории S-матрицы они порождаются связанными состояниями взаимодействующих частиц. Обоснованная нами параллель с восточным толкованием понятия силы характерна для обеих этих теорий. Такой подход порождает важный вывод о том, что все известные частицы должны иметь внутреннюю структуру: только тогда они смогут вступать во взаимодействие с наблюдателем и быть идентифицированы им. Обратимся к объяснениям Джеффри Чу