ПИ-МЕЗОН: ЧЕМ ЖЕ ОН ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ МЮ-МЕЗОНА?
А.А.Гришаев, независимый исследователь
Введение.
Сущность т.н. «открытия пи-мезона» в середине ХХ века проясняется лишь с учётом тогдашней ситуации в физике атомного ядра – а именно, с отсутствием сколько-нибудь разумных представлений о принципах, на которых основана структура стабильных составных ядер.
Большинство физиков придерживалось теории Юкавы – согласно которой, нуклоны в ядре связываются благодаря обмену мезонами, т.е. гипотетическими частицами с массами ~200 m e(200 масс покоя электрона). Из закона сохранения импульса неумолимо следует, что обмен массивными частицами может привести только к отталкиванию нуклонов, но никак не к их притяжению. Чтобы абсурдность обменного характера ядерных сил не бросалась в глаза, в теории сделано уточнение: мезоны, которыми обмениваются нуклоны, являются виртуальными. Тогда, непостижимым образом, виртуальные мезоны должны переносить от одних нуклонов к другим вполне реальные «заряд, ток, импульс и момент импульса » [Б1]. Перенос реального заряда означает, что протон превращается в нейтрон, и наоборот. Известно, что возможен распад нейтрона на протон и электрон (правда, это обнаруживалось только для нейтронов, вылетавших из ядерных реакторов [Г1]). Но освобождаемой здесь частицей с отрицательным зарядом является электрон, а не мезон – масса мезона на два порядка превышает разность масс нейтрона и протона! Чтобы уйти от очевидной проблемы с законом сохранения энергии, теоретики прибегли к спасительному принципу неопределённости, «согласно которому закон сохранения энергии может как бы нарушаться на величину DE, коль скоро процесс завершается в течение времени, не превышающего Dt~h/DE » [Н1]. Исходя из «как бы нарушения», соответствующего массе мезона, получали ограничение на время жизни мезона в ядре – 0.7×10-23 с [М1]. Этого времени мезону едва хватало бы для преодоления «радиуса действия ядерных сил», двигаясь со скоростью света. Здесь, конечно, не учитывалось, что если имел бы место релятивистский рост массы мезона, то он уменьшил бы, согласно принципу неопределённости, время жизни мезона в ядре – и вся эта теория рухнула бы, как карточный домик. Поступали так: если релятивистский рост массы мешал, то делали вид, что его нет.
Построенная сплошь на противоречиях и натяжках, мезонная теория ядерных сил не давала ответов даже на простейшие вопросы, включая главный – о происхождении ядерного дефекта масс [Г1,Г2]. Подтверждение этой феерической теории, совершенно бесполезной для практики, было весьма непростым делом: виртуальные частицы, по определению, необнаружимы на опыте. Поэтому теоретики возлагали большие надежды на обнаружение реальных мезонов в свободном состоянии. Открытие «частицы Юкавы» означало бы, что хоть что-то в его теории оказалось верно.
Вот почему с энтузиазмом были восприняты известия об открытии «частиц с промежуточной массой» в составе космических лучей. Но энтузиазм быстро угас: выяснилось, что эти мезоны не являлись «частицами Юкавы», поскольку они, практически, не взаимодействовали с атомными ядрами. Впрочем, вскоре после того как состоялось это открытие мезонов, обнаружилось, что некоторые из них разваливали ядра на несколько высокоэнергичных осколков, треки которых формировали т.н. «звезду». Эти-то мезоны вполне годились на роль частиц Юкавы. Ну, действительно: мезоны всё-таки демонстрировали свои способности к ядерным взаимодействиям, взрывая ядра, которые без них были вполне стабильными – по логике ортодоксов, трудно было найти более убедительное подтверждение концепции о том, что именно мезоны поддерживают структуру стабильных ядер.
И здесь физики столкнулись с дилеммой. К тому времени, открытие мезона считалось уже состоявшимся. Уже были приняты соглашения о его времени жизни и его массе – хотя эти величины демонстрировали разбросы, на порядки превышавшие экспериментальные погрешности [Г3]. Уже считалось установленным, что мезон не взаимодействует с ядрами. И вот – обнаруживается, что весьма похожая частица способна разрушать ядра. Дилемма заключалась в следующем: либо признать, что «новый» мезон – это тот же, уже открытый, мезон (который разрушает ядра лишь в определённом проценте случаев), либо объявить об открытии новой частицы. Второй вариант был более привлекателен политически – поэтому выбрали именно его. Ранее открытый мезон назвали мю-мезоном, а новый – пи-мезоном.
Но для поддержки такого выбора требовались свидетельства о том, что p-мезон и m-мезон действительно различаются по массе, времени жизни и способности к воздействию на ядра. В данной статье, на основе анализа первых экспериментальных статей по этим вопросам, мы постараемся показать, что ради «доказательств» того, что p-мезон и m-мезон являются частицами различных типов, авторы не гнушались теоретическими подтасовками и целенаправленной селекцией опытных данных – особенно в вопросе о том, что m-мезон является «продуктом распада» p-мезона.
Как изображали разницу масс у пи-мезона и мю-мезона.
Работа Латтеса и др. [Л1] была одной из первых, где речь шла о двух типах мезонов. Авторы анализировали треки, оставляемые мезонами в фотоэмульсии. Для случаев, когда конец трека находился в пределах пластинки, методом подсчёта зёрен определялась скорость потерь энергии частицей, и, по остаточному пробегу, на основе зависимости «пробег-энергия» для данной фотоэмульсии (см., например, [У1, Г4]), определялась масса частицы – при условии, что она несла один элементарный заряд.
В двух из 65 обработанных случаев имели место пары треков, которые авторы интерпретировали так: «первичный мезон в конце своего трека продуцировал вторичный мезон » [Л1] (переводы везде наши). Судя по плотности зёрен в треках, «первичный» мезон, практически, остановился, а «вторичный» мезон имел значительную стартовую скорость. Учитывая это, а также то, что стартовый вектор скорости «вторичного» мезона был повёрнут на значительный угол от финишного вектора скорости «первичного» мезона (во втором случае – почти на 180о) – трудно было допустить, что такая пара треков могла быть оставлена одной и той же частицей. Подсчёт зёрен дал следующие величины масс: у первичных частиц в случаях 1 и 2 – 350±80 и 330±50 m e, а у вторичной частицы в случае 1 – 330±50 m e. Поразительно: на основе этих данных авторы заявили, что их фотографии, «возможно, указывают на наличие двух типов мезонов с разными массами », причём, разность этих масс «едва ли превышает 100 m e».
Представление о погрешностях определения масс мезонов через подсчёт зёрен в фотоэмульсии можно получить, если сопоставить два результата. Во-первых, Латтес, Оккиалини и Пауэлл получили этим методом отношение масс p-мезона и m-мезона в 1.8-2.0 [Л3]. Во-вторых, годом позже, Моррисон и Пикап, на основе аналогичного анализа треков, сделали следующий вывод: «Различия в картинах зёрен от p- и m-мезонов недостаточно велики для того, чтобы чётко свидетельствовать о разнице их масс… всё, что мы можем сказать – это то, что вероятность этой разницы масс не следует исключать » [М2].
Таким образом, прямые сравнения треков p- и m-мезонов не давали убедительных свидетельств о различии их масс. Поэтому эти свидетельства были получены лишь на основе гипотезы о том, что m-мезон является одним из продуктов распада p-мезона. Чем мотивировали вывод о таком распаде? В статье [Л3] сообщается, что во всех 11-ти наблюдённых парах треков p- и m-мезонов, в которых трек m-мезона заканчивался в фотоэмульсии, длина этого трека была, практически, одинакова и составляла около 600 мкм. Отсюда были сделаны выводы о том, что «все вторичные мезоны имеют одинаковую массу и испускаются с одной и той же кинетической энергией », и далее: «Это убедительно свидетельствует о фундаментальном процессе, а не о взаимодействии первичного мезона с ядрами определённого типа в эмульсии » [Л3] (ниже мы дадим альтернативное объяснение воспроизводимости данного феномена). Что же давал здесь тезис о p-m-распаде? Поскольку «распадался» остановившийся p-мезон, а направление движения m-мезона было произвольно, то для соблюдения закона сохранения импульса требовался второй продукт распада – не оставлявшая трека частица, вылетавшая в направлении, противоположном вылету m-мезона. Сначала полагали, что этой частицей является высокоэнергичный фотон. И если он уносит часть энергии покоя p-мезона, то, при таком подходе, масса m-мезона непременно должна быть меньше массы p-мезона. Определяя, по треку m-мезона, его энергию при различных допустимых значениях его массы, авторы [Л3] рассчитывали энергию фотона отдачи и находили соответствующую массу p-мезона: при изменении m m от 100 до 300 m e, m p изменялась от 140 до 387 m e [Л3]. Было из чего выбирать!
Ту же самую теоретическую подпорку, насчёт p-m-распада, использовали при демонстрации «разности масс p- и m-мезонов» в исследованиях с помощью камеры Вильсона. Желаемую разность масс получали, опять же, грамотным применением законов сохранения энергии-импульса к событиям p-m-распада, за которые выдавали, например, излом трека мезона в камере Вильсона – типичный пример приведён на Рис.1. Считалось [Л2], что подобный излом трека свидетельствует о распаде на лету p-мезона, в результате чего из точки распада разлетаются m-мезон и нейтрино (к 1950 году уже было известно о безуспешных попытках регистрации фотона отдачи при p-m-распаде, и теоретики заменили
Рис.1 Источник: [Л2].
этот фотон на нейтрино, не оставляющее никаких следов). На основе законов сохранения энергии-импульса, авторы рассчитывали массу m-мезона при принятой массе p-мезона в 276 m e. Для таких расчётов годились далеко не все полученные треки с изломом – при «неправильных» углах излома, масса m-мезона оказывалась либо слишком малой, либо даже мнимой. Отбросив треки с «неправильными» углами излома, т.е. половину от всех треков, «свидетельствовавших о распаде p-мезона на лету», авторы [Л2] получили вполне приемлемое среднее значение массы m-мезона: 210±3 m e.
Бросающаяся в глаза селекция опытных данных, на которую пошли авторы [Л2] ради «правильного» результата – это не единственный их грех. Приведём показательные фотографии – Рис.2,3 – треков мезонов, которые имеют излом, но заканчиваются «звездой», т.е. развалом ядра. Поскольку считается, что развалить ядро способен не m-мезон, а p-мезон, то излом трека свидетельствует здесь отнюдь не о p-m-распаде – он свидетельствует, например, об упругом (или почти упругом) рассеянии мезона на массивном атомном ядре. Но тогда где гарантии, что у авторов [Л2] изломы треков свидетельствуют о p-m-распадах, а не о рассеянии мезонов на ядрах? Таких гарантий нет; но проблема решалась не в пользу физического здравого смысла, а в пользу математического удобства. Дело вот в чём: при рассеянии мезона на атомном ядре, атом отдачи не оставляет трека, а его масса, энергия и
Рис.2 Источник: [О1].
Рис.3 Источник: [Г4].
импульс остаются неизвестными – поэтому система уравнений, описывающая законы сохранения энергии-импульса для трёх частиц, не имеет единственного решения. Если же третьей частицей является не массивный атом, а нейтрино, с его нулевой массой покоя, то система уравнений радикально упрощается, и единственное решение находится.
Вот такие аргументы и укрепляли веру теоретиков в то, что p-m-распад имеет место в природе, и что без нейтрино он не обходится.
А ведь набатом прозвучал вывод Броуда и др. [М3], которые, можно сказать, подвели черту в первой волне экспериментов по измерениям – а не расчётам! – масс мезонов. Они использовали классическую методику, на основе двух камер Вильсона – в верхней из которых определялся импульс частицы, по кривизне трека в магнитном поле, а в нижней определялась энергия частицы, по пробегу в наборе свинцовых или медных пластинок. В установку внесли усовершенствования, благодаря которым была существенно повышена точность измерений. В обработку попадали частицы, чей пробег в свинце составлял от 4 до 13 см. Полученное распределение масс мы воспроизводим на Рис.4. Погрешность каждого отдельного определения массы была на порядок меньше, чем ширина полученного распределения масс мезонов с центральным значением около 200 m e. Казалось бы, это с очевидностью указывало на то, что существуют мезоны с различными эффективными массами, о чём мы говорили в [Г3]. Но тогда тезис о наличии, кроме m-мезонов, только p-мезонов, с массами ~270 m e, выглядит нелепо. Ведь, если судить по полученному распределению масс (см. также гистограммы в [Б2,В1]), не менее обоснован тезис о наличии мезонов с массами ~150 m e. Вот почему авторы [М3], в нарушение правил статистической
Рис.4 Источник: [М3].
обработки данных, определили однозначную массу (unique mass) мезона – на основе «кривой для постоянной массы, которая наилучшим образом соответствует наблюдённым значениям кривизны и пробега ». Их вывод таков: «Не было найдено никаких свидетельств о частицах, которые не являлись бы либо положительными протонами (масса 1893±50 m e), либо положительными и отрицательными m-мезонами (масса 196±3 m e)» [М3]. Этот вывод попросту отрицает наличие в природе p-мезонов, как отдельного типа частиц!
«Тихие распады» мезонов.
Спустя несколько лет после первых исследований мезонов природного происхождения, экспериментаторы научились продуцировать мезоны искусственно – через бомбардировку плотных мишеней протонами или a-частицами, разогнанными в циклотроне [Г10,Г4]. Изучались треки, которые оставляли мезоны, вылетавшие из мишени. Как и у авторов [Л3], нередко получалась та же картина: после «p-m-распада», m-мезон пробегал в фотоэмульсии 600 микрон – и в конце этого трека не наблюдалось никаких свидетельств о его дальнейшей судьбе. Если, согласно кривой «энергия-пробег» для данного типа фотоэмульсии, стартовая энергия m-мезона составляла около 4 МэВ, то его стартовая скорость, при массе в 207 m e, должна была составлять 8.3×107 м/с. Если считать, что его средняя скорость на 600-микронном треке была в 2-3 раза меньше стартовой, то эти 600 микрон он проходил бы за время ~10-11 с, что на пять порядков меньше его «измеренного времени жизни», 2.2×10-6 с. Уместен вопрос: если остановившийся m-мезон не разваливает ядро, то что происходит с ним в течение, практически, всей его жизни? Теоретики придумали замечательный ответ на этот вопрос: отрицательный m-мезон, якобы, испытывает т.н. мю-захват, т.е. захватывается кулоновским полем атомного ядра и замещает атомарный электрон из К -оболочки, отчего образуется т.н. мезоатом. Абсурдность этой теории обусловлена уже тем, что она строилась на представлениях об электромагнитных взаимодействиях частиц, хотя к тому времени (конец 40-х годов ХХ века) было уже хорошо известно, что все попытки объяснить устойчивость атомных структур действием только электромагнитных сил – потерпели полный крах. Концепция мезоатома лишь усугубила это теоретическое бессилие – допуская такие, например, перлы: «радиус ближайшей к ядру орбиты m- в мезоатоме свинца почти в два раза меньше, чем радиус ядра свинца, т.е. в мезоатоме свинца m- большую часть времени проводит внутри ядра » [Ф1]. Не будем комментировать эти перлы – обратимся к опыту.
Мю-захват отрицательного m-мезона, как и распад положительного m-мезона, как поначалу полагали теоретики, должен был приводить к излучению гамма-кванта с энергией ~50 МэВ [П1]. Специально проводились эксперименты по проверке этого теоретического предсказания. Считалось, что такой гамма-квант с большой вероятностью породит электрон-позитронную пару, у которой хотя бы один из компаньонов будет зарегистрирован счётчиками – по методике задержанных совпадений. Увы, при количестве остановившихся в поглотителе мезонов, исчислявшихся тысячами, было зарегистрировано всего 4 случая «подходящих гамма-событий» - причём, эти четыре случая вполне объяснялись случайными совпадениями. Поскольку установка реагировала на мезоны обоих знаков, Пичьони сделал вывод: «ни одного такого фотона не возникает при захватах отрицательных мезонов или свободных распадах положительных мезонов » [П1]. Такой же нулевой результат получили Сард и Алсаус [С1].
Поэтому теоретики ухватились за последнюю соломинку: постулировали, что помимо электрона, вторым продуктом распада m-мезона является не гамма-квант, а нейтрино – которое для того и было придумано, чтобы спасать от краха теории, которые на поверку приводили к абсурду по линии сохранения энергии-импульса [Г2]. Казалось бы, нейтринная концепция непотопляема: в качестве отличительного свойства нейтрино постулирована его «неуловимость», поэтому на опыте невозможно доказать, что нейтрино действительно принимает на себя требуемые теоретикам энергию и импульс. Но даже нейтринная концепция не помогла до конца решить проблему «распада мезона», поскольку первый продукт этого «распада», высокоэнергичный электрон, в ряде случаев никак не давал о себе знать.
Отсутствие треков электронов распада в фотоэмульсиях можно было объяснить тем, что электрон быстро покидал тонкую пластинку, двигаясь ортогонально к её плоскости. Но как быть со случаями «распадов мезонов», наблюдавшимися в центральной части камеры Вильсона? Мы сошлёмся на великолепную работу Чанга [Ч1], который исследовал распад медленных мезонов в камере Вильсона, содержавшей набор параллельных тонких фольг (из свинца, железа и алюминия). Условия опыта были таковы, что при регистрации трека мезона, влетевшего в камеру и остановившегося в ней, непременно регистрировались бы вторичные треки, соответствующие какому-либо из предполагаемых сценариев распада. А именно, это были бы либо треки осколков разваленного ядра, либо трек электрона распада, либо треки электрон-позитронной пары, рождаемой гамма-квантом высокой энергии. Однако, для каждого материала фольг, «было получено множество фотографий, на которых идентифицированная как мезон частица остановилась в фольге, но не привела к появлению ни тяжёлой заряженной частицы, ни электрона распада » [Ч1]. Выходит, что традиционные представления о «распаде мезона» до сих пор неадекватны реалиям.
Напротив, мы следующим образом объясняем отсутствие следов распада мезона. У идентифицированной как мезон частицы, которая является электроном в аварийном режиме управления [Г3], происходит «тихий» возврат в штатный режим управления, результатом чего – без каких-либо превращений частиц! – оказывается нормальный электрон с малой энергией. Действительно, Чанг обнаружил «восемь треков электронов с малой энергией, которые направлены от точек, в которых останавливались отрицательные мезоны, и которые, как можно считать, генетически связаны с остановившимися отрицательными мезонами » [Ч1].
Добавим, что ранее аналогичный результат получили Зар и др. [З1], которые исследовали с помощью камеры Вильсона, с набором алюминиевых пластинок, треки электронов, предположительно являвшихся продуктами распада мезонов. «Было получено всего 17 треков … электронов распада. Из них 12 пересекают только один или два отсека камеры Вильсона, и потому классифицируются как сомнительные » [З1].
«Сомнительность» этих случаев была обусловлена тем, что электрон, вылетавший из точки остановки мезона, имел энергию гораздо меньшую, чем требовала теория «распада мезона». Считалось, что энергия, эквивалентная массе остановившегося m-мезона, загадочным образом превращалась в полную энергию «продуктов распада», электрона и нейтрино – которые, согласно закону сохранения импульса, должны были разлетаться в противоположных направлениях. При нулевой массе покоя нейтрино, кинетическая энергия электрона и энергия нейтрино должны были, по этой логике, быть примерно равными, т.е. составлять примерно по 50 МэВ. Опыт, однако, этого не подтверждал. «Если бы все электроны распада имели энергию более чем… [14 МэВ], мы пронаблюдали бы, как минимум, 50 треков… На самом деле, мы нашли только пять подходящих и ещё двенадцать сомнительных треков… Эти результаты трудно примирить с тезисом о монохроматичности энергии электронов распада m-мезонов » [З1].
В такой ситуации теоретики, конечно, не стали пересматривать исходные предпосылки, ведущие к абсурду. Они лишь слегка подправили эти предпосылки: постулировали, что m-мезон распадается на электрон и два нейтрино. Проблема с немонохроматичностью энергии электронов распада устранилась изящно и радикально – ведь проверить на опыте новую схему распада m-мезона невозможно. Так теоретики сделали очередной шаг к построению глобальной, несокрушимой опытом теории – основанной сплошь на ненаблюдаемых сущностях.