По мере увеличения энергии бомбардирующих частиц открываются все новые и новые частицы. Сейчас известно около 30 частиц (табл. 3). Их можно разделить на пять групп: гипероны, нуклоны, мезоны, лептоны и фотон.
Время жизни многих частиц очень мало; для гиперонов оно составляет, например, всего лишь 10-10 сек.
Одним из крупнейших событий последних лет в области элементарных частиц явилось открытие античастиц. Сразу же после открытия позитрона — «антиэлектрона» — была высказана мысль, что в природе наблюдается симметрия между заряженными частицами, т. е. у каждой частицы есть античастица с противоположным знаком заряда или магнитного момента. Теоретически было рассчитано, что для рождения пары протон— антипротон нужна энергия, большая чем 2 трС2 = 2 · 109 эв. Экспериментально эта идея была доказана только в 1955 г., когда американские физики во главе с Э. Сегре при бомбардировке меди протонами с энергией больше 6000 Мэв обнаружили антипротон. Число открываемых античастиц увеличивается с каждым годом.
В марте 1960 г. на синхрофазотроне в 10 000 Мэв в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна) коллектив русских, китайских, румынских, польских, вьетнамских, корейских и чехословацких ученых открыл новую ядерную частицу — антисигму-минус гиперон. Ее существование предсказывалось физиками-теоретиками еще несколько лет назад. Однако открытие затруднялось тем, что этот антигиперон образуется с очень малой вероятностью. Ученым пришлось тщательно проанализировать 40 000 фотоснимков следов частиц, полученных с помощью специальной установки— пропановой пузырьковой камеры.
Таблица 3
Примечание. Знак ~ означает античастицу. В третьей графе слева от кружочков приведена величина массы элементарных частиц, выраженная в электронных массах.
Одно из самых важных свойств элементарных частиц— их взаимопревращаемость. Сразу же после открытия позитрона была обнаружена его способность аннигилировать[1], т. е. взаимодействовать с электроном с образованием двух гамма-квантов по реакции е+ — e- → ← 2y-кванта. Известен и обратный процесс: возникновение при столкновении двух гамма-квантов — позитрона и электрона. Этот факт явился первым убедительным доказательством взаимопревращаемости элементарных частиц.
Протон и нейтрон также взаимопревращаемые частицы п →← p + e‾ Нейтрон может существовать длительное время только в ядре. Период полураспада свободного нейтрона равен 12 мин. Испытывают превращение и другие частицы и античастицы. Например, на рис. 5 изображены схемы распада некоторых гиперонов на мезоны и нуклоны.
Число элементарных частиц возрастает с каждым годом. Поэтому в физике в настоящее время создается такое же положение, какое было в химии до создания периодической системы химических элементов. Среди физиков все сильнее проявляется стремление к систематизации элементарных частиц и к сведению их числа к минимуму. Делаются попытки отыскать ту «первоматерию», из которой построены все частицы. Высказываются предположения, что некоторые из них являются самостоятельными частицами только в возбужденном состоянии или представляют собой комбинации других частиц.
Изучение процессов взаимодействия быстрых частиц с атомными ядрами привело к выявлению структуры нуклонов — протонов и нейтронов. В опытах по рассеянию быстрых электронов ядрами водорода и дейтерия получено, что нуклон состоит из плотной «сердцевины» диаметром 2 · 10-14 см и двух концентрических мезонных оболочек (рис. 6). Оказалось также, что у протона сердцевина содержит 12 % полного заряда, внутренняя оболочка — 60 % и внешняя — 28 %. Такая структура нуклонов свидетельствует о том, что их взаимодействие в ядре может осуществляться путем обмена мезонами. Один нуклон испускает мезон, другой поглощает его. Взаимодействиями подобного рода, по-видимому, и обусловлены ядерные силы.
Рис. 5. Схемы распада некоторых гиперонов. На фотографии, полученной в камере Вильсона, запечатлен распад ламбда-нуль-частицы на протон и пи-минус мезон.
1
В последнее время показано, что аннигиляция является основным свойством всех античастиц.