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 180^о) – 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.

 

Как «измерили время жизни» пи-мезонов.

Первые мезоны, обнаруженные в космических лучах, не годились на роль «частиц Юкавы» ещё и потому, что их «измеренное время жизни», т.е. 2.2×10^-6 с, на два порядка превышало величину, предсказанную Юкавой. Поскольку позже на роль «частицы Юкавы» выдвинули p-мезон, то было очень востребовано совпадение его измеренного времени жизни с предсказанным. Вот почему сообщения об измеренных временах жизни p-мезонов, близких к предсказаниям Юкавы, были восприняты научной общественностью совершенно некритично.

Ричардсон [Р1] работал с отрицательными мезонами, которые рождались при бомбардировке графитовой мишени a-частицами, разогнанными в циклотроне до энергии 380 МэВ. Идея заключалась в сравнении потоков одинаковых по энергии мезонов после прохождения ими разных путей – и определении, таким образом, процента распада мезонов на лету за время прохождения разности этих путей. Мезоны вылетали из мишени в различных направлениях, и в постоянном магнитном поле циклотрона при выключенном переменном напряжении на дуантах, они двигались по винтовым линиям с радиусами, зависящими от их энергии. Были устроены два круговых канала для этого свободного движения мезонов, с одинаковыми радиусами и поперечными сечениями – один канал на пол-оборота винтовой линии, и второй, на полтора оборота. Прошедшие сквозь эти каналы мезоны попадали на фотопластинки, которые фиксировали их следы. На основе разности количеств следов – по короткому и длинному каналам – делались необходимые расчёты.

Несколько дальше продвинулись Мартинелли и Панофский [М4], которые работали с положительными мезонами. Идеология осталась прежней, но использовались не два, а три канала: на пол-оборота (180^о), на полтора оборота (540^о), и на два с половиной оборота (900^о) – что давало возможность получить «две точки кривой распада». На основе данных [М4] хорошо видно, что авторы сделали ту же ошибку, что и их предшественник [Р1]. Отношение «полезных сигналов» между каналами «540» и «180» составило 0.248, а между каналами «900» и «180» - 0.095, тогда как «если бы времена жизни [p-мезонов] были бесконечными, ожидаемые отношения составили бы 0.333 и 0.200 соответственно» [М4]. Разницу между ожидаемыми и измеренными отношениями интерпретировали как следствие распадов p-мезонов на лету. Но каково происхождение ожидаемых цифр – 0.333 и 0.200? Легко видеть, что именно настолько уменьшится угловая апертура, если задающая её щель, одной и той же длины, удалится от точечного источника на расстояние, в три и в пять раз превышающее исходное. Т.е., «ожидаемые отношения» описывают чисто геометрическое уменьшение потока мезонов из-за уменьшения угловой апертуры канала при увеличении его длины. Но, странным образом, авторы учитывали лишь «одномерное» уменьшение апертуры, хотя каналы имели прямоугольное сечение. Из-за ненулевого размера сечения канала в радиальном направлении, мезоны двигались в канале по траекториям с отнюдь не одинаковым для всех радиусом – поскольку влетавшие в канал мезоны имели как угловой разброс, так и разброс по энергиям. Поэтому, при увеличении длины канала, непременно происходило «двумерное» уменьшение угловой апертуры  - хотя, по радиальной компоненте оно могло быть существенно меньше, чем по трансверсальной. Можно убедиться в том, что учёт «двумерного» уменьшения угловой апертуры канала, при увеличении его длины, вполне объясняет полученные результаты. Так, если для канала «540» относительно канала «180» полученное ослабление, 0.248, было следствием уменьшения апертуры в 3 раза по трансверсальной компоненте и в k раз по радиальной, то k=1.343. Тогда для канала «900» относительно канала «180» имело бы место уменьшение апертуры в 5 раз по трансверсальной компоненте и в 1.343×(5/3) по радиальной, что в итоге дало бы ослабление 0.089 – а это почти совпадает с полученным значением 0.095. Такое совпадение, на наш взгляд, прямо указывает на то, что результаты [М4] и [Р1] были следствиями ослабления потоков мезонов из-за геометрии установки – ничуть не свидетельствуя о распадах p-мезонов на лету.

Поэтому справочные значения времён жизни p-мезонов, полученные на основе подобных экспериментов, являются, на наш взгляд, совершенно безосновательными.

 

Взаимодействие мезонов с ядрами: ортодоксальный подход.

Считается, что судьбы положительных и отрицательных p-мезонов, затормозившихся в достаточно плотной вещественной среде, принципиально различаются. Положительный p-мезон, якобы, отталкивается от ядер и, не вступая с ними в контакт, распадается с рождением положительного m-мезона, который, в свою очередь, распадается с рождением позитрона. Отрицательный же p-мезон, якобы, притягивается ядрами (как будто атомарных электронов нет), поэтому он быстро захватывается ядром, которое и разваливает на высокоэнергичные осколки, формирующие «звезду» треков. Сами по себе «звёзды», свидетельствующие о развалах ядер, наблюдались нередко – но, как правило, они инициировались неионизирующими частицами, не оставлявшими треков. На этом «фоне», «звёзды» в конце треков мезонов были довольно редки. «Мы наблюдали шесть таких событий при полном количестве «звёзд», равном восьмистам» - сообщали Оккиалини и Пауэлл [О1]. Что касается только тех «звёзд», которые ассоциированы с треками мезонов, то картина примерно такова: «Мы проанализировали 65 треков мезонов, которые дошли до конца своего пробега в эмульсии… 15 из них произвели дезинтеграции [ядер] с эмиссией двух или более тяжёлых частиц… и, ещё в четырёх случаях, одиночной вторичной частицей являлся протон или более тяжёлое ядро» [Л1]. Даже с учётом небольшого превышения количества положительных p-мезонов над отрицательными, вместо примерно 30 развалов ядер, которые можно было ожидать, их обнаружилось 19 – по-видимому, здесь тоже имели место случаи «тихого распада» (см. выше).

Каков же, согласно ортодоксальным представлениям, механизм дезинтеграции ядра при попадании в него отрицательного p-мезона? Считается, что вся энергия, эквивалентная массе покоя p-мезона, т.е. около 130 МэВ, превращается в энергию возбуждения ядра [Ф2,Г4]. Вообще-то, в таком случае, от бывшего p-мезона должен ещё остаться элементарный заряд, не имеющий вещественного носителя – но поначалу теоретики не занимались такими пустяками, сосредоточившись на главном. А именно: при средней энергии ядерных связей в 8 МэВ на нуклон, энергии возбуждения в 130 МэВ, по логике теоретиков, достаточно не только для разрыва ядра на осколки, но и для сообщения им значительной кинетической энергии.

Тезис о том, что частица может полностью исчезнуть, а энергия, эквивалентная бывшей массе этой частицы, может превратиться в другую форму энергии – этот тезис представляется нам недопустимо вольной трактовкой закона сохранения энергии, при очевидном нарушении закона сохранения вещества. Можно возразить, что закон сохранения вещества допускает исключения – например, аннигиляцию пар электрон-позитрон, а также рождение этих пар. Отнюдь: наш анализ первых экспериментов в этой области [Г5,Г2] показал, что при «аннигиляции» электрона и позитрона, они не исчезают полностью и не рождают при этом два гамма-кванта по 511 кэВ – они образуют предельно связанную пару, с энергией связи 511 кэВ, с выходом одного гамма-кванта на 511 кэВ. И, наоборот, гамма-квант, даже имеющий достаточную энергию, не может родить электрон-позитронную пару «на пустом месте» - непременно требуется тяжёлое ядро, в которое попадает этот квант, и которое затем испытывает двойной бета-плюс-минус-распад (ещё один вариант «рождения» пары электрон-позитрон – это диссоциация предельно связанной пары). При всём этом, закон сохранения вещества не нарушается – в согласии с логикой «цифрового» физического мира [Г2]. Действительно, частица существует в физическом мире, пока работает пакет программ, обеспечивающий это существование. Уничтожить элементарную частицу в физическом мире можно лишь через остановку работы её формирующего пакета программ – и нам не известно о «чисто физических» пертурбациях, которые способны так «гасить» реальность на программном уровне. Аналогично, и новая частица не может появиться в физическом мире благодаря «чисто физическим средствам» - например, родиться из кинетической энергии других частиц. Когда экспериментаторы заявляли, что они таким образом получили антипротоны [Ч2] – они выдавали желаемое за действительное [Г2].

От наших представлений можно было бы отмахнуться, если концепция о том, что масса разрушающей ядро частицы превращается сначала в энергию возбуждения этого ядра, подтверждалась бы на опыте. Однако, известны факты, которые в эту концепцию не вписываются. Во-первых, при цепной ядерной реакции, ядро разваливается на пару осколков при попадании в него теплового (!) нейтрона. При этом общая кинетическая энергия осколков, около 200 МэВ [М1], не может быть ассоциирована ни с кинетической энергией инициирующего нейтрона, ни с его массой. Во-вторых, ещё поразительнее выглядит тот малоизвестный факт, что при инициировании деления ядер урана протонами с энергией 450 МэВ, кинетическая энергия осколков составляет около 160 МэВ, т.е. примерно столько же, сколько и при инициировании тепловыми нейтронами [Б3]. Наконец, в-третьих, вернёмся к нашим мезонам, с массой около 270 m_e: их поглощение «иногда приводит к освобождению в ядре количества энергии, соответствующего массе покоя частицы порядка 400 m_e» [Л3]. Все эти факты свидетельствуют о том, что кинетическая энергия осколков ядра – это не бывшая масса инициирующей частицы и не бывшая её кинетическая энергия.

Поразительно, но теоретики применяют свои представления о взаимодействиях мезонов с ядрами даже к случаю ядер водорода – которые не могут возбуждаться (ибо у них нет энергии ядерных связей) и не могут разрываться на осколки. Более того, именно для случая с ядрами водорода сообщалось об оглушительных экспериментальных результатах. Речь идёт о работе Панофского и др. [П2], в которой авторы уверяют нас, что они исследовали спектр гамма-излучения, рождающегося при захвате p-мезонов ядрами водорода, т.е. протонами. Физика того, как протон может «захватить» мезон, давая на выходе нейтрон и гамма-квант, в статье не рассматривается. По логике авторов, если реакция  p^-+p⁺®???®n⁰+g  не нарушает известных законов сохранения, то это вполне достаточно для того, чтобы она происходила.

Отрицательные p-мезоны у них рождались при бомбардировке вольфрамовой мишени пучком протонов с энергией 330 МэВ. Часть этих p-мезонов проникала внутрь стального баллона высокого давления с газообразным водородом. Там, якобы, происходили захваты этих мезонов протонами, с испусканием гамма-квантов с энергиями до ~130 МэВ. Для исследования спектра этих гамма-квантов использовался спектрометр, идея работы которого заключалась в следующем. Гамма-квант, попадавший в «конвертор» - тонкую танталовую пластинку – должен был рождать там электрон-позитронную пару, которой и должен был передавать всю свою энергию. Эти электрон и позитрон должны были разводиться сильным магнитным полем в противоположные стороны – к линейкам детекторов (счётчиков Гейгера). По идее, электрон или позитрон с большей энергией двигался бы в постоянном магнитном поле по окружности с большим радиусом, и поэтому он попал бы на более дальний детектор в линейке – что и предполагало исследование спектра.

Но, увы, недавно Фан Лиангджао убедительно продемонстрировал: при «увеличении энергии» релятивистского электрона в разы, радиус кривизны его траектории в магнитном поле, вместо увеличения в те же разы, остаётся постоянным [Ф3] – а это говорит о полной непригодности магнитной методики в релятивистской области измерений [Г6]. Нет никаких сомнений: ещё в первой половине ХХ века специалисты хорошо об этом знали – и, соответственно, они знали о том, что спектрометр [П2], используемый при одной и той же величине магнитного поля, никаких «спектров» не даст. Неспроста, для получения некоторого подобия спектров, рабочую величину магнитного поля перестраивали – от 5000 до 10000 Гс [П2]. Но как при этом можно было получить «правильные» спектры? А вот как. Мы обратили внимание на то, что форма кривой для множителя, корректирующего скорость счёта (Рис.5), весьма похожа на форму провала между двумя пиками полученного спектра (Рис.6). На предмет происхождения корректирующей кривой авторы отделались лишь общими словами. Но элементарные расчёты показывают: если минимум корректирующей

 

Рис.5  Источник: [П2].

 

Рис.6  Источник: [П2].

 

кривой приходится на значение 22 в единицах 0.573 МэВ/килоГаусс (Рис.5), то соответствующая абсцисса в спектре придётся на 63 Мэв при поле 5000 Гс и на 126 МэВ при поле 10000 Гс. Среднее арифметическое между 63 и 128 МэВ есть 94.5 МэВ – и именно в этой точке находится минимум провала между спектральными пиками на Рис.6! Это означает, что, без использования «корректирующей кривой», спектрометр дал бы не пики на Рис.6 – он дал бы, во всём своём рабочем диапазоне, примерно один и тот же шумовой уровень. И, на наш взгляд, это было бы похоже на правду, поскольку гамма-квантам с энергиями 65 и 130 МэВ в баллоне с водородом было неоткуда взяться.

На основе вышеизложенного, мы делаем вывод: предъявленные авторами [П2] спектры являются результатом сознательной имитации желаемого результата – но никак не следствием ошибки или случайного совпадения. Таких ошибок и случайностей не бывает, и вот почему. Было очень востребовано обнаружение нейтрального p-мезона – через обмен которым, как полагали теоретики, действуют протон-протонные и нейтрон-нейтронные связи в ядре (хотя никто никогда не наблюдал нуклонных комплексов из одних протонов или из одних нейтронов). Считалось, что нейтральный p-мезон имеет весьма короткое время жизни и распадается на два гамма-кванта – с энергиями примерно в половину от 130 МэВ. И когда Панофский с соавторами предъявили, якобы, спектральный пик в требуемом диапазоне – этот результат расценили, к очередному «триумфу» теории Юкавы, как бесспорное указание на наличие нейтрального p-мезона в природе.

Вот такими «честными» методами и делались фундаментальные открытия в физике элементарных частиц.

 

Альтернативный подход: как аварийные электроны взаимодействуют с ядрами.

Выше мы постарались показать, что ортодоксальная концепция взаимодействия мезонов с ядрами не выдерживает никакой критики с теоретической стороны, а также не имеет честных и убедительных экспериментальных подтверждений.

Есть ли альтернатива ортодоксальному подходу? В предыдущей статье [Г3] мы предложили и обосновали модель, согласно которой т.н. m-мезон является электроном, находящимся в аварийном режиме управления с программного уровня, а, по возвращении в штатный режим управления, вновь проявляет себя «обычный» электрон – без распадов и превращений частиц. В данной статье мы делаем следующий шаг и утверждаем, с учётом приведённых выше экспериментальных фактов, что т.н. p-мезон – это тот же самый объект, что и m-мезон, т.е. это «аварийный» электрон [Г3]. Тогда нам следует пояснить два феномена: стыки треков, которые интерпретируют как визуализацию p-m-распада, а также способность «аварийного» электрона разваливать атомные ядра.

Что касается стыков жирного и тонкого треков мезонов – да ещё с изломом – то здесь, на наш взгляд, дело не обходится без контактного взаимодействия «аварийного» электрона с ядром. Как мы излагали ранее [Г7], электрон, имеющий кинетическую энергию E, не может проникнуть в ту часть объёма атома, которая соответствует энергии связи, большей или равной E – т.е. электрон не может проникнуть в атом глубже слоя, в котором находятся атомарные электроны с энергией связи, равной E. С этим подходом вполне согласуется тот факт, что даже релятивистские электроны не внедряются в ядра, а испытывают на них лишь упругое рассеяние [К1]. Мы легко объясняем этот факт тем, что кинетическая энергия электрона не может превышать одной трети от его массы покоя, т.е. примерно 170 кэВ [Г2] – что гораздо меньше энергий связи в ядре, исчисляемых МэВами. Но так обстоят дела с «обычными» электронами. У электрона, находящегося в аварийном режиме управления, фактическое и программное положения различаются на величину, выходящую за пределы полосы штатной отработки следящей системы [Г3]. Мы полагаем, что такой электрон, с запаздывающим управлением, способен приблизиться к ядру вплотную и даже внедриться в него. Один из возможных сценариев дальнейших событий можно представить следующим образом. Управляющий электроном пакет программ [Г3] с некоторым опозданием реагирует на то, что электрон оказался в неположенном месте – и исправляет ситуацию, выстреливая электрон из ядра. Это «выстреливание» энергетически обеспечивается через превращение части собственной энергии электрона в его кинетическую энергию – согласно принципу автономных превращений энергии [Г8,Г2]. Само внедрение электрона в ядро указывает на то, что аварийный режим управления не успел закончиться – поэтому, после «выстреливания» электрона из ядра, автоматика по второму разу пытается воссоединить программное положение электрона с его фактическим положением и вернуться в штатный режим. Это и даст ту картину стыка треков, которую мы пытаемся объяснить. Добавим, что «выстреливание» аварийного электрона из ядра производит, на наш взгляд, специально предусмотренный для этого случая алгоритм – в результате срабатывания которого, кинетическая энергия электрона приобретает конкретное значение, не зависящее от типа ядра, в котором электрон оказался. Этим мы и объясняем одинаковость пробегов в фотоэмульсии (600 мкм, см. выше) у «m-мезона после p-m-распада».

Что же касается развала ядра, то это, на наш взгляд, другой вариант развития событий после того, как «аварийный» электрон внедрился в ядро. Мы допускаем, что этот «аварийный» электрон способен проинициировать специфическую реакцию. Речь не о соединении этого электрона с протоном, дающем в итоге нейтрон, поскольку структурная связь в нейтроне является связью «на приросте масс» - она не может возникнуть самопроизвольно, она обеспечивается работой специального структуро-образующего алгоритма [Г9,Г2]. Но, на наш взгляд, у «аварийного» электрона имеется возможность провзаимодействовать с нейтроном. То, что нейтрон способен испытывать распад – хорошо известно. Считается, что продуктами его распада являются протон и электрон. Мы полагаем, что такая схема распада – не единственная. Согласно нашей модели [Г9,Г2], в нейтроне циклически сменяются две конфигурации: «протон-электрон» и «антипротон-позитрон». Взаимодействие «аварийного» электрона e^-_AV со второй из этих конфигураций может, на наш взгляд,  происходить по схеме:

e^-_AV + (p^- + e⁺) ® p^- + e⁰,                                                                                (1)

где e⁰ означает предельно связанную пару электрон-позитрон [Г5,Г1,Г2]. Предельно связанная пара не играет особой роли в дальнейшей судьбе ядра, а также не оставляет трека. Появление же в ядре антипротона вместо нейтрона приведёт к срыву синхронизма переключений связей, обеспечивающих динамическую структуру стабильного ядра [Г1] – отчего ядро и развалится на осколки. Причём, в кинетическую энергию этих осколков превратится бывшая энергия связей, удерживавших их в ядре [Г2].

Логично допустить, что этот сценарий развала ядра наиболее вероятен при взаимодействии «аварийного» электрона с «лишним» нейтроном в ядре, который временно не охвачен переключаемыми ядерными связями [Г1]. Тогда мы естественно объясняем феномен, обнаруженный Конверси с соавторами [К2] и подтверждённый Вэлли [В1] – отрицательные мезоны не вызывают распад ядер углерода (в графите): «Все отрицательные мезоны распадаются в углероде, ни один из них не захватывается ядром» [В1]. Эту необъяснимую избирательность воздействия «частиц Юкавы» на ядра мы легко объясняем – но на основе нашей модели. Действительно, ядро ¹²С₆ является не просто чётно-чётным – оно состоит из трёх a-частичных комплексов [Г1], динамические переключения связей в которых согласованы, по-видимому, настолько идеально, что все нейтроны в ядре оказываются постоянно задействованы в ядерных связях, поэтому реакция (1) маловероятна. С таким подходом согласуются и результаты исследований поглощения мезонов в других материалах. В кислороде (образцом являлась вода), ядро которого состоит из четырёх a-частичных комплексов, доля отрицательных распавшихся мезонов составила 0.7±0.19, т.е. развал ядер кислорода вызывали не более 30% отрицательных мезонов. В железе и меди, практически, не наблюдалось распадов отрицательных мезонов – все они разваливали ядра, в которых есть «лишние» нейтроны. В ядре бериллия тоже есть один «лишний» нейтрон, но здесь взаимодействие отрицательных мезонов с ядрами было незначительным. Впрочем, этот последний результат сам автор расценил как ненадёжный: «в продолжение эксперимента с бериллием, аппаратура работала ненормально, и дело закончилось её поломкой» [В1].

Резюмируя, можно сказать, что наша модель развала ядер «аварийными» электронами выглядит правдоподобнее и последовательнее, чем ортодоксальная модель развала ядер отрицательными p-мезонами.

 

Заключение.

Электроны, протоны и нейтроны ведут себя на опыте как частицы с вполне характеристическими свойствами. Мезоны, напротив, уже в первой волне экспериментов по их исследованиям, демонстрировали разбросы своих параметров, на порядки превышавшие экспериментальные погрешности. Для классификации мезонов как новых элементарных частиц, ортодоксам с самого начала пришлось идти на теоретические натяжки, селекцию опытных данных, апелляции к неуловимым нейтрино, и даже на сознательную имитацию желаемых экспериментальных результатов. Едва ли можно сомневаться в том, что, при дальнейшем развитии физики элементарных частиц, подобные методы постижения истины использовались ещё интенсивнее.

Со своей стороны, в развитие концепции «цифрового» физического мира [Г2], мы предложили модель, согласно которой p- и m-мезоны не являются частицами отдельных типов – оба они представляют собой электрон (позитрон), находящийся в аварийном режиме управления с программного уровня [Г3]. Эта модель, на наш взгляд, согласуется с результатами первых исследований мезонов более честно и адекватно, чем ортодоксальная теория.

 

Автор благодарит Ивана, автора сайта  http://ivanik3.narod.ru , за неоценимую помощь в доступе к первоисточникам.

 

 

Ссылки.

 

Б1. Г.Бете, Ф.Моррисон. Элементарная теория ядра. «Изд-во иностранной литературы», М., 1958.

Б2. R.B.Brode. Rev.Mod.Phys., 21, 1 (1949) 37.

Б3. В.С.Барашенков, В.С.Тонеев. Взаимодействие высокоэнергетических частиц и атомных ядер с ядрами. «Атомиздат», М., 1972.

В1. G.E.Valley. Phys.Rev., 72, 9 (1947) 772.

Г1. А.А.Гришаев. Простая универсальная модель ядерных сил. – Доступна на данном сайте.

Г2. А.А.Гришаев. Книга «Этот «цифровой» физический мир». 2010. – Доступна на данном сайте.

Г3. А.А.Гришаев. Мю-мезон: аварийный режим работы программ, формирующих электрон в физическом мире. – Доступна на данном сайте.

Г4. E.Gardner, W.H.Barkas, F.M.Smith, H.Bradner. Science, 111 (1950) 191.

Г5. А.А.Гришаев. Новый взгляд на аннигиляцию и рождение пар. – Доступна на данном сайте.

Г6. А.А.Гришаев. Линейный ускоритель: очевидные свидетельства об отсутствии релятивистского роста энергии. – Доступна на данном сайте.

Г7. А.А.Гришаев. Феномен сфер непроницаемости в атомах. – Доступна на данном сайте.

Г8. А.А.Гришаев. Автономные превращения энергии квантовых пульсаторов – фундамент закона сохранения энергии. – Доступна на данном сайте.

Г9. А.А.Гришаев. Нейтрон: структурная связь «на приросте масс». – Доступна на данном сайте.

Г10. E.Gardner, C.M.G.Lattes. Science, 107 (1948) 270.

З1. J.L.Zar, J.Hershkowitz, E.Berezin. Phys. Rev., 74 (1948) 111.

К1. Г.Кноп, В.Пауль. Взаимодействие электронов и a-частиц с веществом. В: Альфа-, бета- и гамма-спектроскопия. Под ред. К.Зигбана. Т.1, Гл.1. «Атомиздат», М., 1969.

К2. M.Conversi, E.Pancini, O.Piccioni. Phys.Rev., 71, 3 (1947) 209.

Л1. C.M.G.Lattes, H.Muirhead, G.P.S.Occhialini, C.F.Powell. Nature, 159 (1947) 694.

Л2. L.Lederman, J.Tinlot, E.T.Booth. Phys.Rev., November 1950, 281.

Л3. C.M.G.Lattes, G.P.S.Occhialini, C.F.Powell. Nature, 160 (1947) 453. Ibid., 486. Имеется перевод: УФН, т.34, вып.3, стр. 370.

М1. К.Н.Мухин. Экспериментальная ядерная физика. Т.2. «Атомиздат», М., 1974.

М2. A.Morrison, E.Pickup. Phys. Rev., 74 (1948) 706.

М3. T.C.Merkle, E.L.Goldwasser, R.B.Brode. Phys.Rev., 79, 6 (1950) 926.

М4. E.A.Martinelli, W.K.H.Panofsky. Phys.Rev., 77, 4 (1950) 465.

Н1. А.И.Наумов. Физика атомного ядра и элементарных частиц. «Просвещение», М., 1984.

О1. G.P.S. Occhialini, C.F.Powell. Nature, 159 (1947) 186.

П1. O.Piccioni. Phys.Rev., 74, 12 (1948) 1754.

П2. W.K.H.Panofsky, R.L.Aamodt, J.Hadley. Phys.Rev., 81, 4 (1951) 565.

Р1. J.R.Richardson. Phys.Rev., 74, 11 (1948) 1720.

С1. R.D.Sard, E.J.Althaus. Phys.Rev., 74, 10 (1948) 1364.

У1. Д.Х.Уэбб. Фотографические пластинки для ядерной физики. УФН, 38, 1 (1949) 77.

Ф1. Физический энциклопедический словарь. Гл. ред. А.М.Прохоров. «Сов. энциклопедия», М., 1983.

Ф2. Е.Л.Фейнберг. Распад мезона. В сборнике «Мезон». «Гос. изд-во технико-теоретической литературы», М.-Л., 1947. Стр.80-113.

Ф3. Liangzao Fan. Three experiments challenging Einstein’s relativistic mechanics and traditional electromagnetic acceleration theory. Серия «Проблемы исследования Вселенной», Вып. 34. Труды Конгресса-2010 «Фундаментальные проблемы естествознания и техники», Часть III, стр.5-16. С-Пб., 2010. Также доступна на  http://ivanik3.narod.ru/TO/DiHUALiangzaoFAN/3LiangzaoFAN.doc

Ч1. W.Y.Chang. Rev.Mod.Phys., 21, 1 (1949) 166.

Ч2. O.Chamberlain, E.Segre, C.Wiegand, T.Ypsilantis. Phys.Rev., 100 (1955) 947.

 

                                                                         Источник:  http://newfiz.narod.ru

                                                                         Поступило на сайт: 19 ноября 2012.