XV. Адроны

В порту Протон и расположенном неподалеку от него порту Нейтрон мы познакомимся с первыми двумя примерами того типа частиц, которые называются адронами. Если выглянуть из окон нашего поезда, мы увидим адроны повсюду. В природе протоны и нейтроны – самые распространенные представители адронов. Мы уже видели, что они составляют все атомные ядра и поэтому вполне понятно, почему именно с ними мы встречаемся в первую очередь в нашем путешествии по острову Адрон.

Эта земля – пристанище для сложно сплетенных структур, тесно связанных друг с другом железнодорожными линиями. Эти связи очень сильны – как крепка сталь рельсов и бетон шпал. Сильное взаимодействие – вторая фундаментальная сила стандартной модели, с которой мы сталкиваемся. Есть многое, что можно рассказать об этой силе, но для нас сейчас самое главное заключается в том, что сильное взаимодействие способно преодолевать электромагнитную силу и удерживать ядро как единое целое.

Сильное взаимодействие, как и любая сила притяжения, проявляет себя в том, что общая энергия протонов и нейтронов (например, по два экземпляра тех и других) уменьшается, если их соединить в одном атоме. Это относится и к электронам, связанным с ядром: они остаются связанными, потому что у них не хватает энергии. Чтобы выпустить их, нужно добавить энергию. Основное их отличие от связанных в ядре протонов и нейтронов в том, что из-за чрезвычайно сильной связи, удерживающей протоны и нейтроны, последним требуется гораздо больше энергии, чтобы освободиться из ядра. И, следовательно, нам снова нужно двигаться дальше на восток.

Большие энергии связи, удерживающие ядро, проявляют себя в величине массы этого ядра. Поскольку энергия и масса эквивалентны, то система с более низкой энергией имеет более низкую массу. Например, масса ядра гелия меньше двух масс нейтрона плюс две массы протона.

Опять же, это верно и для любой связанной системы: масса атома гелия меньше, чем масса ядра гелия плюс удвоенная масса электрона, за счет электромагнитной энергии связи. Но эта разница очень мала по сравнению даже с массой электрона. Различия в массе, обусловленные энергией ядерной связи, гораздо более значительны. Вот почему та энергия, которая выделяется в ядерных реакциях, намного больше, чем энергия, которая может выделиться в любой химической реакции.

Энергия связи, рассчитанная на один протон или нейтрон, наибольшая для ядер элементов, расположенных в таблице химических элементов вблизи железа (26 протонов и около 30 нейтронов).

Энергия связи быстро уменьшается для элементов легче железа. Поэтому энергия может высвобождаться при слиянии таких элементов. Это происходит, например, в звездах и водородных бомбах и, надеемся, однажды произойдет в земных электростанциях, если удастся сжать и удержать огромные энергии и необходимые плотности.

Энергия также падает, хотя и не так быстро, по мере перехода к элементам, обладающим большей атомной массой, чем железо. Это значит, что энергия может выделяться не только в результате синтеза легких элементов, но и путем распада элементов, которые более массивны, чем железо. Это ядерное деление, уже используемое нами в качестве наземного источника энергии.

Как при слиянии ядер, так и при их делении все процессы стремятся завершиться образованием железа, что объясняет, почему железо – такой широко встречающийся элемент, в том числе входящий в состав ядра нашей планеты.

Существование энергии связи имеет еще одно очень важное следствие. Нейтрон, остающийся сам по себе, нестабилен. В среднем свободный нейтрон, который находится вне атомного ядра и не связан ни с какими протонами, будет распадаться примерно через четверть часа. Однако как только нейтрон становится связанным в ядре, он «защищен» энергией связи. Другими словами, если бы он распадался, то полученные части обладали бы более высокой суммарной энергией, чем ядро в целом. Поскольку при распадах энергия с необходимостью должна сохраняться, то распад невозможен. Вот почему, хотя во Вселенной существует множество одиночных протонов, нет ни одного одиночного нейтрона, хотя внутри атома в партнерстве с протонами нейтроны существуют в изобилии.

Все другие известные адроны распадаются даже быстрее нейтронов. Большинство из них живут крошечные доли секунды. Именно по причине их короткой жизни они были обнаружены достаточно поздно. Их мимолетное присутствие впервые наблюдалось при распадах высокоэнергетических частиц, приходящих из космоса и бомбардирующих земную атмосферу. В наши дни они обильно рождаются при столкновениях на ускорителях частиц высоких энергий.

При поездке по острову Адронов на поезде нам становится ясно, что адронов здесь действительно очень много. Они распадаются разными темпами и разными способами, у них разные спины, а их массы варьируются в диапазоне от одной шестой массы протона (частицы-пионы) до масс, в несколько раз превышающих массу протона.

Мы можем также отметить, что адроны бывают двух типов – барионы и мезоны. Барионы обычно тяжелее мезонов.

Протон и нейтрон – примеры барионов, но кроме них есть и другие, а десятки мезонов размещаются на станциях нашей железнодорожной линии. Все это множество частиц приходит в движение с учетом того, что материя состоит из простого набора частиц. Так, если бы все адроны были «фундаментальными», то строительные блоки представляли бы собой очень запутанный набор.

Однако в нашем путешествии по острову нам становится видна закономерность расположения адронов. Подобно тому, как в периодической таблице элементы располагаются согласно их способности вступать в связи, мезоны и барионы могут быть организованы в группы по 8 или 10 (октеты и декуплеты соответственно) в зависимости от их спина, заряда и других свойств. Так, по мере нашего продвижения вперед по железной дороге мы увидим, что станции, находящиеся на одной долготе, отличаются друг от друга по систематическим и предсказуемым правилам. Например, мы проезжаем мимо трех практически одинаковых адронов, каждый из которых отличается от другого на единицу электрического заряда. Эти три адрона группируются с другими пятью, аналогично отличающимися друг от друга на единицу спина. Такая картина встречается нам на всем протяжении острова Адрон.

Регулярность периодической таблицы – важнейший ключ к внутренней структуре атомов. Как мы видели, химические свойства атомов обусловлены количеством их электронов и тем, насколько тесно они связаны с ядром. Аналогичным образом октеты и декуплеты острова Адрон передают внутреннее строение атомов.