Нечто подобное произойдет и с восемью стабильными мезонами (тремя пи-, четырьмя ка- и эта-мезонами): в мире предельно сильного взаимодействия они будут на одно лицо, будто это одна частица. По мере включения умеренно сильных и электромагнитных взаимодействий единый мезон будет все сильней расщепляться, пока не появятся все 8 реальных частиц.
Именно с такой идеей группировки адронов и выступили в 1961 году М. Гелл-Манн и Ю. Нееман. Предельно сильные взаимодействия предположили они, должны обладать особой унитарной симметрией, так чтобы восемь легчайших барионов и восемь легчайших мезонов участвовали в этих взаимодействиях совершенно симметрично независимо от электрических зарядов и «странности».
В новой системе классификации все наблюдаемые адроны относились к определенному набору, который может включать одну, восемь или десять частиц. Все адроны, в том числе и резонансы, действительно были приписаны к одному из таких наборов. Это привело, конечно, к очень экономичному представлению таблицы элементарных частиц — гораздо более «крупноблочному», чем в случае использования только изотопической симметрии.
Рассматривая каждый набор в воображаемом мире, где учтены только предельно сильные взаимодействия, как единую частицу, можно было затем включить умеренно сильные взаимодействия и оценить возникающее за счет него расщепление масс. Таким способом и были получены соотношения между массами для различных состояний каждого набора. В тех случаях, когда все частицы данного набора были известны, эта операция приводила к удивительно хорошему согласию теории и эксперимента.
Расчет соотношений между массами адронов внутри каждого набора и привел к важному открытию, которое стало основным свидетельством в пользу схемы Гелл-Манна — Неемана.
Дело в том, что, пытаясь укомплектовать набор из 10 барионов, физики столкнулись с небольшой трудностью. Среди известных адронов довольно быстро обнаружились девять хороших кандидатов в эту «десятку». Эти кандидаты представляли собой короткоживущие барионные резонансы: 4 частицы дельта-1232 (это различные зарядовые состояния резонанса, открытого Э. Ферми), 3 сигма-1385 и 2 кси-1530. А вот десятого — «замыкающего» — подыскать не удалось. Его масса была вычислена на бумаге и должна была составлять примерно 1670 МэВ. Были заранее известны и многие другие свойства, например, его «странность» должна была быть равна минус три и электрический заряд минус единице. Но среди известных адронов такая частица не значилась. И только в самом начале 1964 года из Брукхэвенской национальной лаборатории было получено необходимое известие: на одной из 50 тысяч фотографий зарегистрирован каскад из целых семи частиц, связанный с распадом нового гиперона с массой около 1670 МэВ! Новая частица была названа омега-минус-гипероном.
Открытие омега-минус-гиперона укрепило веру в унитарную классификацию, и в настоящее время она считается общепринятой. Это, конечно, не означает, что физикам стало все ясно в адронном мире. Остаются и возможности обобщения, и непонятные проблемы.
Дело в том, что с математической точки зрения и изотопическая симметрия В. Гейзенберга, и унитарная симметрия, предложенная М. Гелл-Манном и Ю. Нееманом, являются различными формами унитарных симметрии общего типа. Вторая оказывается просто симметрией более высокого типа, чем первая; именно поэтому она и позволяет объединять частицы в более крупные наборы, «блоки», и часто называется Высшей Симметрией.
А не могут ли проявиться еще более высокие унитарные симметрии адронов? Такую возможность никак нельзя исключить. Ведь схема Гелл-Манна — Неемана основана на сохранении только двух квантовых чисел — электрического заряда и «странности».
В 1964 году американские теоретики Дж. Бьеркен и С. Глешоу ввели в рассмотрение новый точный или приближенный закон сохранения, соответствующий особому квантовому числу — «очарованности». Такая возможность открывала путь к более высокой симметрии сильных взаимодействий и позволяла преодолеть некоторые проблемы предшествующих моделей.
Едва ли не главная из этих проблем состояла в том, что схема классификации Гелл-Манна — Неемана допускала существование удивительных наборов из 3 частиц. Просто не обращать внимания на эти наборы было нельзя, так как они играли фундаментальную роль для указанной схемы. Но частицы в этих наборах должны были иметь столь необычные свойства — в частности, дробные электрические и барионные заряды, — что включить их в рассмотрение было не так уж просто. Итак, либо новый закон сохранения, либо совершенно необычные частицы…
Впрочем, проблема этих удивительных частиц оказалась глубже, чем можно представить себе, рассуждая о том или ином варианте унитарной классификации.
Высшие симметрии микромира часто сравнивают с красивым замком. Действительно, группировка огромного количества адронов по определенным свойствам напоминает своеобразную архитектурную работу — все элементы выстраиваются в какую-то четкую взаимосвязанную конструкцию, которая воспринимается гораздо легче, чем отдельные разбросанные элементы. Такое упорядочивание, по сути дела, означало создание спасительного ковчега, позволившего пережить трудные времена резонансного потопа, но его вполне разумно сравнивать и с возведением замка.
Но тут-то в ответ на необычайную щедрость природы, которая ввела в микромир свыше 200 адронов, физики решили проявить предельную экономичность, граничащую со скупостью. Этот шаг, к обсуждению которого мы сейчас переходим, привел к тому, что в замке высших симметрии замаячили настоящие призраки…
Нашествие призраков
Как и герои древних преданий, призраки микромира имели реальных предков и довольно любопытную родословную. История появления этих призраков как раз и связана с удивительным сочетанием щедрости природы и скупости физиков.
Скупость эта проявилась довольно рано — еще тогда, когда адронный мир, казалось бы, строился всего из двух типов частиц — нуклонов и пи-мезонов. О ка-мезонах и гиперонах существовали лишь предварительные данные, а до резонансного потопа было совсем далеко. Но даже два типа адронов показались физикам излишней роскошью для таблицы элементарных частиц. Летом 1949 года Э. Ферми и его девятнадцатилетний аспирант Ч. Янг написали статью, которая прямо так и называлась: «Являются ли мезоны элементарными частицами?»
Авторы начали с естественного предположения о том, что в природе существуют антинуклоны (кстати, антипротон и антинейтрон будут открыты только через несколько лет после появления их статьи). Далее они высказали гипотезу, что пи-мезон представляет собой просто связанное состояние нуклона и антинуклона, а не особую элементарную частицу, как это думал X. Юкава, и попытались оценить основные свойства этого составного ядерного кванта. Правила составления наблюдаемых пи-мезонов можно проследить, пользуясь простой зарядовой арифметикой: положительно заряженный пи-мезон должен состоять из протона и антинейтрона, отрицательно заряженный — из нейтрона и антипротона, и нейтральный пи-мезон — из смеси пар протон — антипротон и нейтрон — антинейтрон. Во всех случаях у мезонов оказываются правильные значения электрических зарядов, а их барионные заряды равны нулю.
Модель Ферми — Янга была интересна, но в некоторых отношениях непоследовательна. Трудно было, например, объяснить природу сил, склеивающих тяжелые частицы — нуклон и антинуклон — в сравнительно легкую — пи-мезон. Поэтому многие физики сначала отнеслись к этой модели без особого энтузиазма. Однако заложенные в ней идеи — прежде всего стремление обходиться предельно малым числом действительно элементарных частиц — были исключительно полезны, и через несколько лет эти идеи стали интенсивно развиваться.
После того как «странные» частицы — ка-мезоны и гипероны — окончательно утвердились в качестве особого класса адронов, стало ясно, что одним нуклоном при построении составной модели частиц не обойтись. Ведь нуклон представлял собой образ двух барионов, не имеющих «странности» (протона и нейтрона), а из них никак нельзя было построить, скажем, «странный» ка-мезон. Поэтому физикам пришлось привлекать третью фундаментальную частицу — один из «странных» мезонов или гиперонов. Именно по этому пути и пошли создатели первых универсальных моделей составных адронов советский теоретик академик М. Марков и японский ученый С. Саката.