В 1964 году американские теоретики Дж. Бьеркен и С. Глешоу ввели в рассмотрение новый точный или приближенный закон сохранения, соответствующий особому квантовому числу — «очарованности». Такая возможность открывала путь к более высокой симметрии сильных взаимодействий и позволяла преодолеть некоторые проблемы предшествующих моделей.
Едва ли не главная из этих проблем состояла в том, что схема классификации Гелл-Манна — Неемана допускала существование удивительных наборов из 3 частиц. Просто не обращать внимания на эти наборы было нельзя, так как они играли фундаментальную роль для указанной схемы. Но частицы в этих наборах должны были иметь столь необычные свойства — в частности, дробные электрические и барионные заряды, — что включить их в рассмотрение было не так уж просто. Итак, либо новый закон сохранения, либо совершенно необычные частицы…
Впрочем, проблема этих удивительных частиц оказалась глубже, чем можно представить себе, рассуждая о том или ином варианте унитарной классификации.
Высшие симметрии микромира часто сравнивают с красивым замком. Действительно, группировка огромного количества адронов по определенным свойствам напоминает своеобразную архитектурную работу — все элементы выстраиваются в какую-то четкую взаимосвязанную конструкцию, которая воспринимается гораздо легче, чем отдельные разбросанные элементы. Такое упорядочивание, по сути дела, означало создание спасительного ковчега, позволившего пережить трудные времена резонансного потопа, но его вполне разумно сравнивать и с возведением замка.
Но тут-то в ответ на необычайную щедрость природы, которая ввела в микромир свыше 200 адронов, физики решили проявить предельную экономичность, граничащую со скупостью. Этот шаг, к обсуждению которого мы сейчас переходим, привел к тому, что в замке высших симметрий замаячили настоящие призраки…
Как и герои древних преданий, призраки микромира имели реальных предков и довольно любопытную родословную. История появления этих призраков как раз и связана с удивительным сочетанием щедрости природы и скупости физиков.
Скупость эта проявилась довольно рано — еще тогда, когда адронный мир, казалось бы, строился всего из двух типов частиц — нуклонов и пи-мезонов. О ка-мезонах и гиперонах существовали лишь предварительные данные, а до резонансного потопа было совсем далеко. Но даже два типа адронов показались физикам излишней роскошью для таблицы элементарных частиц. Летом 1949 года Э. Ферми и его девятнадцатилетний аспирант Ч. Янг написали статью, которая прямо так и называлась: «Являются ли мезоны элементарными частицами?»
Авторы начали с естественного предположения о том, что в природе существуют антинуклоны (кстати, антипротон и антинейтрон будут открыты только через несколько лет после появления их статьи). Далее они высказали гипотезу, что пи-мезон представляет собой просто связанное состояние нуклона и антинуклона, а не особую элементарную частицу, как это думал X. Юкава, и попытались оценить основные свойства этого составного ядерного кванта. Правила составления наблюдаемых пи-мезонов можно проследить, пользуясь простой зарядовой арифметикой: положительно заряженный пи-мезон должен состоять из протона и антинейтрона, отрицательно заряженный — из нейтрона и антипротона, и нейтральный пи-мезон — из смеси пар протон — антипротон и нейтрон — антинейтрон. Во всех случаях у мезонов оказываются правильные значения электрических зарядов, а их барионные заряды равны нулю.
Модель Ферми — Янга была интересна, но в некоторых отношениях непоследовательна. Трудно было, например, объяснить природу сил, склеивающих тяжелые частицы — нуклон и антинуклон — в сравнительно легкую — пи-мезон. Поэтому многие физики сначала отнеслись к этой модели без особого энтузиазма. Однако заложенные в ней идеи — прежде всего стремление обходиться предельно малым числом действительно элементарных частиц — были исключительно полезны, и через несколько лет эти идеи стали интенсивно развиваться.
После того как «странные» частицы — ка-мезоны и гипероны — окончательно утвердились в качестве особого класса адронов, стало ясно, что одним нуклоном при построении составной модели частиц не обойтись. Ведь нуклон представлял собой образ двух барионов, не имеющих «странности» (протона и нейтрона), а из них никак нельзя было построить, скажем, «странный» ка-мезон. Поэтому физикам пришлось привлекать третью фундаментальную частицу — один из «странных» мезонов или гиперонов. Именно по этому пути и пошли создатели первых универсальных моделей составных адронов советский теоретик академик М. Марков и японский ученый С. Саката.
Несколько более наглядная модель С. Сакаты представляет собой прямое развитие идей Э. Ферми и Ч. Янга. В качестве трех фундаментальных частиц он выбрал протон, нейтрон и лямбда-гиперон и показал, что из них можно в принципе выстроить все остальные частицы адронного семейства. Пи-мезоны строились в этой схеме по тем же правилам, что и в модели Ферми — Янга, а для «странных» мезонов и гиперонов использовались чуть более сложные правила той же зарядовой арифметики (с учетом «странности»). Например, ка-мезон с отрицательным электрическим зарядом и «странностью» минус единица можно построить из лямбда-гиперона (электрический заряд — ноль, «странность» — минус единица) и антипротона (электрический заряд — минус единица, «странность» — ноль), а отрицательно заряженный кси-минус-гиперон со «странностью», равной минус два, — из двух лямбда-гиперонов и одного антипротона.
Подобно тому, как протон и нейтрон представляли собой различные состояния нуклона, 3 частицы: протон, нейтрон и лямбда-гиперон — должны были представлять 3 различных состояния некоторой фундаментальной частицы — сакатона. В воображаемом мире, где действует только предельно сильное взаимодействие, существовал бы единственный вид фундаментальных адронов — сакатоны. При включении умеренно сильных взаимодействий наблюдалось бы уже два типа частиц — нуклон и лямбда-гиперон, то есть тот же сакатон, как бы расщепленный на два наблюдаемых состояния. И наконец, при включении электромагнитных взаимодействий, когда в микромир допускались фотоны, способные реагировать на электрические заряды, нуклон, в свою очередь, расщеплялся, и появлялись все 3 известных легчайших бариона — протон, нейтрон и лямбда-гиперон.
Гипотеза о фундаментальной роли сакатона оказалась весьма привлекательной и чуть ли не десять лет владела умами исследователей микромира. Еще бы! Ведь, имея перед собой таблицу элементарных частиц, можно было буквально за несколько минут убедиться, что все адроны соответствуют той или иной комбинации из 3 легчайших барионов.
Следовательно, таблица истинно элементарных частиц становилась значительно короче: наряду с фотоном и лептонами она должна была включать только три адрона — протон, нейтрон и лямбда-гиперон, да и те оказывались на самом деле лишь тремя возможными состояниями одного адрона — сакатона…
Остальные адроны являлись составными частицами — вроде атомных ядер.
Но, конечно, физическое понимание такой составной модели не может быть ограничено формальным подбором правильных зарядовых комбинаций. Несмотря на многие интересные попытки улучшения, модель фундаментального сакатона так и не справилась с теми трудностями, которые она, можно сказать, унаследовала от своей предшественницы — модели Ферми — Янга.
Во-первых, аналогия между составными адронами и атомными ядрами не столь уж проста. Как вы помните, протоны и нейтроны, будучи связаны в атомное ядро, теряют на эту связь лишь малую долю своей массы — менее одного процента. Совсем другая ситуация наблюдается в том случае, когда мы пытаемся описать, скажем, пи-ноль-мезон как связанное состояние протона и антипротона. Ведь величина энергии связи протона с антипротоном в 13 раз превышает массу наблюдаемого связанного состояния: пи-ноль-мезона! Напрашивается вывод, что, во-первых, внутренняя структура составных адронов должна иметь какие-то качественные отличия от тех структур, которые известны нам из физики атомов и атомных ядер.