Почему большинство частиц дезинтегрируют (а технически говоря, распадаются) на другие?

Физика частиц нашла уже целую гору вроде бы элементарных частиц, и их может быть ещё больше. Но большинство из этих частиц не лежат спокойно на полу в ожидании, пока мы их подметём. Нам нужно было построить особые аппараты, такие, как Большой адронный коллайдер, чтобы произвести их, открыть и изучить. Почему? Потому, что большинство из них – за исключением тех, из которых состоим мы сами, и парочки других – разваливаются (распадаются) на другие частицы за малую долю секунды. На самом деле малую – по сравнению с ней миллионная доля секунды кажется вечностью. Некоторые из них выживают в течение всего триллионной от триллионной доли секунды, или даже меньше!

В данной статье при помощи неплохих, хотя и несовершенных, аналогий, я собираюсь дать вам пару объяснений по поводу того, почему распад – неизбежная судьба большинства элементарных частиц.

Вы можете вспомнить, что волны в квантовом мире состоят из частиц; звуковые волны из фононов, световые из фотонов, и т.п. Или можете просто принять это как данность и продолжить чтение.

Распад для частиц – это как рассеивание для волн, и с этим эффектом вы наверняка хорошо знакомы.

Ничто не вечно, включая звук задетой струны на гитаре или удар по ноте ксилофона. А волне предшествует вибрация. Гитарная струна или нота ксилофона вибрирует, перемещаясь туда-сюда. Почему вы слышите звук, хотя струна далеко от вашего уха? Вы слышите его, поскольку струна, вибрируя в воздухе, заставляет вибрировать сам воздух, и создаёт волны, перемещающиеся через воздух и доходящие до ваших ушей, заставляющие ваши барабанные перепонки колебаться туда и сюда – и ваш мозг превращает это движение в восприятие музыкальной ноты.

Почему же звук струны постепенно умирает? Когда вы задели струну, вы потратили немножечко сил, и часть использованной вами энергии превратилась в энергию вибрирующей струны. Энергия сохраняется – она не создаётся и не уничтожается, хотя и способна перемещаться с места на место и менять свою природу. Понемногу энергия, проявляющаяся в виде колебаний струны, пропадает, преобразуясь в другие вещи. Часть её теряется на вибрацию воздуха, на звуковые волны. Часть теряется на трение, а, следовательно, на тепло, то есть на микроскопические вибрации молекул в струне и в удерживающих её колках. Это преобразование одного типа вибрации во множество других и передача энергии от крупномасштабного движения вибрирующей струны в другие места называется рассеиванием. Рассеивание происходит потому, что вибрирующая струна соприкасается и взаимодействует с другими объектами, в частности, с воздухом и колками, а также потому, что у неё есть внутренняя структура.

Частицы распадаются примерно по такой же схеме рассеивания, но тут уже работает квантовая механика, что всё меняет. Вибрации струны постепенно исчезают, превращаясь в широкие звуковые волны и колебания толп атомов и молекул, а типичная частица может распасться на две, три, максимум четыре легковесных частицы. Это просто квантовая версия рассеивания – идея та же, но с квантовой особенностью.

К примеру, частица Хиггса может внезапно распасться на две частицы света (фотоны); Z-частица может внезапно распасться на мюон и антимюон.

Быстро распадающиеся частицы называются нестабильными; частицы, которые никогда не распадаются, называются стабильными. Частицы, которые распадаются очень медленно, часто называют метастабильными или долгоживущими – но эти термины относительные, и их точное значение зависит от контекста.

Мне тут пришлось немного схитрить. Явление распада частиц в квантовом мире действительно похоже на рассеивание волн. Но в качестве примера рассеяния я описал похожее и знакомое вам, но не совсем то явление, которое отвечает за большинство распадов частиц.

Почти все частицы, известные нам, распадаются – и многие очень быстро. Из стабильных частиц нам в природе известны только следующие:

• Электрон (и антиэлектрон);

• Самые лёгкие из трёх типов нейтрино (и их античастицы);

• Фотон (сам себе античастица);

• Гравитон (который пока не нашли и в ближайшее время этого не предвидится, хотя гравитационные волны уже обнаружены).

Также есть частицы, которые, возможно, стабильны, но скорее всего, просто долгоживущие – и их время жизни настолько большое, что только малая их часть могла распасться со времён Большого взрыва. Среди них:

• Другие нейтрино (и антинейтрино – дальше античастицы я упоминать не буду, это будет подразумеваться);

• Протон (не являющийся элементарной частицей);

• Многие ядра атомов.

Ещё одна достаточно долго живущая частица – нейтрон, которая сама по себе, вне атомного ядра, живёт около 15 минут. Но нейтроны внутри атомных ядер могут жить дольше возраста Вселенной. Ядра обеспечивают им стабильное жилище.

Что определяет скорость распада частицы? Давайте посмотрим, что определяет скорость рассеивания волн вибрирующей струны. Это должно быть связано с тем, с какими объектами взаимодействует струна (воздух, колки, сама с собой) и с тем, насколько сильно она с ними взаимодействует. Воздух гонять легко, так что струна может звучать долго. Но если вы дёрнете струну, опущенную в ванну с водой, её вибрации затихнут гораздо быстрее, поскольку струна, создавая волны в воде, израсходует вибрационную энергию быстрее. Вы сами можете ускорить рассеивание, прижав палец к краю струны. Вы почувствуете, как атомы и молекулы вашего пальца будут поглощать эту энергию. Поскольку вы сильнее других объектов взаимодействуете со струной, именно вы определяете, как исчезают вибрации. Чем сильнее вы давите на струну, тем сильнее вы взаимодействуете с ней, и тем быстрее затихает звук.

То, что работает при рассеивании волн, работает и при распаде частиц. Некоторые виды частиц сильно взаимодействуют друг с другом, некоторые нет. К примеру, фотоны сильно взаимодействуют с обычной твёрдой материей, поэтому Земля непрозрачна для света. Нейтрино взаимодействуют с материей очень слабо, поэтому они обычно пролетают Землю насквозь. Кварки сильно взаимодействуют друг с другом, поэтому они всегда находятся внутри таких композитных частиц, как протоны. Но кварки взаимодействуют с электронами очень слабо, поэтому электроны улетают от кварков – и поэтому в атомах орбитали электронов находятся на относительно большом расстоянии от протонов и нейтронов, составляющих крохотное ядро атома.

Допустим, частица одного типа (родительская) может распасться на две или более частиц других типов. Чем сильнее взаимодействие между этими типами частиц, тем больше вероятность распада – и тем такой распад более распространён, и тем меньше время жизни родительской частицы. К примеру, частица Хиггса очень слабо взаимодействует со светом, поэтому её распад на два фотона происходит редко. Но она гораздо сильнее взаимодействует с W-частицами, и если она достаточно тяжёлая для того, чтобы распасться на две W-частицы, она делает это почти всегда.

Так что теперь вы знаете, что основы физических процессов распада частиц – это квантовая версия того, что вы видите в окружающем мире: рассеивание, происходящее через вибрации. Теперь вы знаете, что скорость рассеивания связана с силой взаимодействия вибрирующего объекта с другими; аналогично, частицы, взаимодействующие сильнее, обычно и распадаются быстрее тех, что взаимодействуют слабее. Но это ещё не полная картина. Квантовая механика влияет на распад частиц неинтуитивным образом, не совпадающим с нашим повседневным опытом, и отвечает за то, что некоторые частицы вообще не распадаются или делают это медленно. К счастью, этих свойства можно описать в виде набора довольно простых правил.