[42], были названы, соответственно, К-мезонами и гиперонами (от греческого «гипер» — над, сверху).
При более детальном изучении оказалось, что существуют К+-и К--мезоны, а также К0 и К0 (частица и античастица, хотя они и не подчиняются уравнению Дирака). Эти самые две частицы, К0 и анти-͞͞К0, могут по пути следования переходить друг в друга, и именно на такой их странной смеси, их интерференции Кронин и Фитч, как мы писали выше, обнаружили сохранение СР- или Т-инвариантности.
Из гиперонов первоначально в 1951 г. был найден нейтральный лямбда-гиперон (Δ), затем в 1953–1954 гг. — несколько более тяжелое семейство сигма-гиперонов (Σ, плюс, минус и электрически нейтральный), и в 1956 г. — еще более тяжелые кси-минус- и кси-ноль-гипероны (Ξ- и Ξ0, отметим сразу же, что положительного кси-гиперона не существует, точнее, положительный электрический заряд имеет анти-кси-минус-частица). Гипероны и нуклоны вместе называются барионами (от греческого «барос» — тяжелый), и у всех них одинаковый барионный заряд.
Первый шаг к теории этих новых частиц сделали в 1951 г. Йосиро Намбу (р. 1921, Нобелевская премия 2008 г.) с соавторами и Абрахам Пайс (р. 1918): они предположили, что странные частицы рождаются обязательно попарно — это фактически означало, что существует какая-то характеристика, положительная у одной частицы пары и отрицательная у другой, которые друг друга уравновешивают, но при последующем распаде эти характеристики пропадают, так как у обычных, нестранных частиц их нет. Таким образом, предполагалось, что есть такая странная квантовая характеристика, которая сохраняется в сильных взаимодействиях и не сохраняется в слабых взаимодействиях.
В 1953 г. эту характеристику уточнили независимо М. Гёлл-Манн[43] и К. Нишиджима (р. 1926) и назвали ее квантовым числом «странность».
Исходным пунктом для их теорий является понятие зарядовой независимости, впервые введенное Гейзенбергом еще в 1932 г.
Суть его состоит в такой группировке частиц, которая подчеркивает их сходство. Например, несмотря на то что протон и нейтрон отличаются электрическим зарядом (протон имеет заряд + 1, нейтрон — 0), во всех остальных отношениях они тождественны. Следовательно, их можно считать двумя разновидностями одного и того же типа частиц, дублетом нуклонов, имеющих средний заряд, или центр заряда, равный ½ Если таких частиц три (например, три пиона), то они образуют триплет со средним зарядом нуль, если одна частица — это синглет, а общее название группы, состоящей из любого числа частиц, — мультиплет.
Однако все попытки так же сгруппировать странные частицы не удавались. Пришлось предположить, что средний электрический заряд мультиплетов их барионов отличается от ½ (среднего заряда нуклонов), а средний заряд К-мезонов равен, в отличие от среднего заряда пионов, не нулю, а — ½, и эти отличия могут быть фундаментальным свойством странных частиц. Странностью как раз и назвали разность между средним зарядом мультиплета и средним зарядом нуклонов +½ (чтобы не возиться с дробями эту разность умножают на 2). Было показано, что странность сохраняется во всех реакциях с сильным и с электромагнитным взаимодействиями, поэтому странные частицы рождаются парами — странность одной частицы компенсирует странность другой (если одна частица в паре имеет странность +1, то странность другой равна -1). Таким образом, странные частицы, родившись, выживают вплоть до распада, определяемого слабым взаимодействием, которое не сохраняет странность.
В 1961 г. Мюррей Гелл-Манн и Ювал Неэман независимо обнаруживают, что эта система мультиплетов, предложенная для описания странных частиц, может быть включена в гораздо более общую теоретическую схему, позволяющую сгруппировать все сильно взаимодействующие частицы в «семейства». Эту схему Гелл-Манн, поклонник Востока, назвал восьмеричным путем (по аналогии с восемью атрибутами праведного жития в буддизме), так как некоторые частицы были сгруппированы в семейства из восьми членов (в науке она называется, по правилам алгебры, SU (З) — симметрией[44]).
Схему Гелл-Манна-Неэмана можно сравнить с Периодической системой Менделеева, поскольку она не только упорядочила известные частицы, но и предсказала свойства неизвестных еще частиц. Теория эта была подтверждена в 1964 г. открытием синглета, предсказанной частицы — омега-минус-гиперона (Ω-).
Ювал Неэман (1926–2006) окончил инженерный факультет, с 15 лет в подпольных вооруженных формированиях, с начала Войны за независимость Израиля в 1948 г. в армии, непосредственно в боевых частях. Несмотря на блестящие перспективы службы (с 1952 г. начальник отдела стратегического планирования Генштаба), переходит на должность военного атташе посольства Израиля в Лондоне, параллельно в 1958 г. поступает на физический факультет Лондонского университета (самый старый студент!) и за три года, с военными перерывами, заканчивает его. Кроме теоретических исследований организовал ядерный центр Израиля, был также министром науки.
Согласно этой модели, у лямбда- и сигма-гиперонов странность S = -1, поэтому они рождаются в паре с одним К-мезоном (у которых странность S = 1). У кси-гиперонов (они образуют дублет) странность S = -2, и их рождение сопровождается появлением двух К-мезонов, а вот у омега-гиперона (синглет, хоть и заряженный) странность S = -3, поэтому он рождается только вместе с тремя К-мезонами. Очевидно также, что поскольку при распаде частиц странность должна меняться на единицу, то кси-гипероны распадаются на лямбда-или сигма-частицы и пионы, а затем те уже распадаются дальше. Ну а омега-гиперон должен претерпеть цепочку трех последовательных распадов с изменениями странности в каждом из них на единицу.
Мы уже не раз говорили о том, что масса связанной системы меньше суммы масс составляющих частиц в свободном состоянии, а возникающий дефект масс соответствует, согласно формуле Эйнштейна, энергии связи частиц. При образовании химических соединений или планетных систем дефекты масс столь малы, что практически не измеримы. В ядрах атомов энергия связи нуклонов уже составляет до полупроцента их массы, и именно поэтому изменение величины этого дефекта масс является источником получения атомной (точнее, ядерной) энергии.
Но, вообще говоря, нет никаких ограничений на величину дефекта масс — в принципе, он может составлять и большую часть массы. Вот такую идею и ввели в 1949 г. Ферми и Янг для представления пионов как составных систем.
Они предложили рассматривать пи-плюс-мезон как тесно связанную систему из протона и антинейтрона с противоположно направленными спинами: π+ = (p+͞n) и соответственно π_ = (n+͞p), при этом пи-ноль-мезон половину времени проводит как система протон-анти-протон, а вторую половину — как нейтрон-антинейтрон. Если такая система нечетная, то она соответствует π0, а если комбинация четная, то другой частице, также позже обнаруженной. Дефект масс при образовании пионов составляет 13/14 полной массы двух нуклонов, но ничего невозможного такой дефект масс собой не представляет — зато сразу становится на три частицы меньше!
К тому же нуклон-антинуклон могут составлять и другие системы, например, со спинами, направленными в одну сторону, — в этом случае они образуют семейство так называемых ро-мезонов; можно рассматривать системы нуклон-антинуклон с высшими моментами и т. д. Такого рода «частицы» имеют очень короткие времена жизни, и их обычно называют нуклонными или мезонными резонансами или резононами, в принципе, для них можно установить некое подобие системы возбужденных состояний атомов в модели Бора.
Модель Ферми-Янга выглядела очень заманчивой — существенно уменьшался список основных «кирпичиков» мироздания. Поэтому с открытием новых частиц естественным выглядело распространить на них схожие представления.
Первым в этом направлении был Сенти Саката (1911–1970): он показал, что если помимо нуклонов принять за основную частицу лямбда-гиперон, то можно построить все остальные странные частицы (1956). Так К+-мезон составляется из протона и анти-лямбда, К--мезон составляется из лямбда-гиперона и антипротона, сигма-гипероны — из лямбда и пионов. Было создано еще несколько подобных моделей, в которых к нуклонам добавлялась та или иная странная частица, и в конце концов стало ясно, что достаточно принять в качестве основной любую из них, — никаких особых преимуществ ни одна из частных моделей не имела — наступившее положение назвали «ядерной демократией» (автор также принимал участие в этих поисках).
Казалось, что явление ядерной демократии полностью обесценило возможность выбора тех частиц, которые можно принять за основные. И тут возникла совершенна новая, поистине «сумасшедшая» идея: а почему этот поиск идет только среди уже найденных частиц, может быть, нужно придумать новые частицы, которые единственным, точнее, самым простейшим образом (это основное требование!) позволят построить составные модели всех остальных?
Именно по такому пути Джордж Цвейг (родился в 1937 г. в Москве) и Мюррей Гелл-Манн сумели в 1963–1964 гг. оптимизировать составную модель частиц: они нашли, независимо, простейший вариант основных частиц, кварков, из которых можно составить все остальные. Однако при этом им пришлось предположить совершенно, казалось бы, невероятные, противоречащие всему опыту физики параметры таких частиц: их электрические и барионные заряды должны были бы составлять, соответственно, одну или две трети от заряда электрона и по одной трети барионного заряда протона. (Напомним, что заряд электрона всегда считался наименьшим возможным, равно как и барионный заряд нуклона.)