Пауэлл назвал свою частицу π-мезоном, а частица Андерсона — первый открытый мезон — впоследствии была названа μ-мезоном.
Со времен были открыты другие типы мезонов и стало очевидно, что все субатомные частицы можно разделить на три группы, а не на две. Кроме лептонов и барионов появились мезоны.
Сильные и слабые взаимодействия
Открытие ядерного поля не разрешило сразу все нерешенные проблемы. Возникло недоумение по поводу времени взаимодействия мезона. Пролетая мимо ядра практически со скоростью света, π-мезон находится все же достаточно близко от него и в течение не более 10-23 сек испытывает влияние очень короткодействующего ядерного поля. За этот ультракороткий промежуток времени π-мезон тем не менее имеет возможность взаимодействовать с ядром.
Разумно предположить, что все мезонные взаимодействия должны протекать одинаково быстро. В частности, следовало бы ожидать, что π-мезоны и μ-мезоны в свободном состоянии распадутся за время не более 10-23 сек. Однако изолированный π-мезон распадается на более легкие частицы в течение приблизительно 2,55·10-8 сек. А изолированный μ-мезон живет еще дольше, распадаясь на более легкие частицы за 2,212 ·10-6 сек.
Интервалы времени в десяти- и стомиллионные доли секунды кажутся нам предельно короткими, но в субатомных масштабах времени они чрезвычайно велики. Предположим, теория утверждает, что некая частица распадается за одну секунду, хотя обнаружено, что некоторые частицы живут сто миллионов, а другие десять миллиардов лет. Мы были бы удивлены этими огромными временами жизни, не так ли? А ведь время 10-23 сек, в течение которого, согласно теории, должен жить π-мезон, и 2,55·10-8 сек, которые он живет в действительности, находятся в таком же отношении друг к другу, как одна секунда и сто миллионов лет.
Необходимо было предположить, что не одно ядерное поле ответственно за все мезонные взаимодействия, а два, одно из которых сильнее другого. Одно поле приводит к сильным взаимодействиям, как, например, взаимодействие π-мезона с ядром, а другое является причиной слабых взаимодействий в ряде распадов π-мезонов и μ-мезонов. Распад нейтрона разумно отнести к слабым взаимодействиям.
Если π-мезон является обменной частицей для сильных взаимодействий, должна, вероятно, существовать обменная частица и для слабых взаимодействий. Ферми разработал теорию слабых взаимодействий, для которой, по-видимому, необходима такая обменная частица. Иногда ее называют w-частицей (от английского слова weak — слабый). Согласно теории, w-частица, по-видимому, имеет большую массу в свободном состоянии. Она намного тяжелее протона, но время жизни ее только 10-17 сек, что составляет приблизительно одну миллиардную времени жизни π-мезона. Поэтому ее не так-то легко зарегистрировать.
В настоящее время физики различают четыре типа полей, ответственных за все протекающие во Вселенной процессы. Это два ядерных поля: электромагнитное и гравитационное. Ядерное поле сильных взаимодействий — наиболее мощное из всех полей, оно в сотни раз сильнее электромагнитного. Поле слабых взаимодействий в сто миллиардов раз слабее электромагнитного но во много триллионов раз сильнее гравитационного поля. Насколько известно, гравитация остается пока наиболее слабой силой в природе [19].
Тяжелый электрон
В 50-х годах μ-мезон становился все более и более загадочной частицей. В отличие от π-мезона, нужного для устойчивости ядер, он не играет никакой существенной роли, которую физики могли бы понять до конца. Более того, он постепенно теряет свою индивидуальность и становится все более и более похожим на разновидность электрона.
Это может показаться странным, так как наиболее отличительные свойства μ-мезона и электрона совершенно различны. Во-первых, μ-мезон в 207 раз тяжелее электрона, во-вторых, в то время как электрон — стабильная частица, μ-мезон нестабилен, он распадается за 2,212 ·10-6 сек.
И все же ряд свойств электрона и μ-мезона совпадают:
1) заряд электрона равен -1, а его античастицы, позитрона, + 1. В этом отношении μ-мезон похож на электрон. У него есть две разновидности: отрицательный μ-мезон, который, подобно электрону, имеет заряд -1 и является частицей, и положительный μ-мезон, который, подобно позитрону, имеет заряд +1 и является античастицей. Отрицательный μ-мезон изображается символом μ-, а положительный μ-мезон, являющийся античастицей, символом 'μ+;