Теория Юкавы. Мезоны

Драма идей в познании природы

В 1935 году японский физик Хидэки Юкава предложил свою теорию ядерных сил. Он использовал симметрию между нейтроном и протоном и идею о взаимопревращениях протона и нейтрона в ядре. Квантовый процесс уничтожения нейтрона и рождения протона в ядре приводил, согласно теории Юкавы, к рождению квантов поля сильного взаимодействия - новых частиц. Взаимодействие этих квантов с нуклонами должно быть очень сильным. Велика вероятность их рождения. Столь же велика и вероятность их поглощения другим нуклоном ядра. Если один нуклон в квантовом переходе породил такой квант, а другой нуклон поглотил этот квант, то тем самым осуществилось взаимодействие между нуклонами в ядре.

Обмен шайбой на катке всегда приводит к отталкиванию. Обмен частицами в квантовой теории может приводить и к отталкиванию, и к притяжению. Все зависит от того, какие частицы обмениваются квантом и каковы свойства такого кванта. Наблюдаемые свойства ядер и закономерности связи нуклонов в ядре можно было объяснить в теории Юкавы, если масса частицы - кванта поля ядерных сил имела величину примерно в 260 раз большую, чем масса электрона. Гипотетическая частица, предсказываемая в теории Юкавы, должна была занимать промежуточное положение по массе между электроном и нуклоном. Эта частица должна была быть промежуточным агентом между взаимодействующими нуклонами. Ее стали называть мезоном (или мезотроном) от греческого "мезос" - средний, промежуточный. Теорию Юкавы стали называть мезонной теорией.

В действительности теория Юкавы предсказывала не одну частицу, а три. Превращение нейтрона в протон должно было сопровождаться рождением отрицательно заряженного мезона, превращение протона в нейтрон - положительно заряженного мезона. В ядре могут происходить и такие переходы, при которых протон остается протоном, а нейтрон - нейтроном. В таких переходах, согласно мезонной теории, должен был рождаться нейтральный мезон. Только так можно было обеспечить изоспиновую симметрию взаимодействия мезона с нуклонами. Вследствие изоспиновой симметрии ядерных сил эти три частицы можно было рассматривать как три разных изоспиновых состояния одного и того же мезонного поля.

Итак, мезонная теория привлекла для объяснения сильного взаимодействия новые частицы - мезоны с положительным, отрицательным и нулевым электрическим зарядом и предсказывала величину их массы. Теория Юкавы строилась по аналогии с электромагнетизмом, поэтому, вообще говоря, спин мезона должен был бы быть равным 1, но для простоты математических расчетов Юкава не учитывал спина мезонов, рассматривая их как частицы со спином 0. Оказалось, что именно этот простейший случай и осуществляется. Благодаря их нулевому спину обмен мезонами ведет к притяжению одинаковых частиц (например, двух нейтронов), и выбор спина 0 не только дань простоте. Как мы увидим, мезоны не играют такую фундаментальную роль в физике сильного взаимодействия, какую играют фотоны в электромагнетизме. Но сама постановка вопроса о существовании помимо электромагнитного новых полей взаимодействия и идея о связи таких полей с симметрией частиц сыграли очень важную роль в дальнейшем развитии физики.

Если при столкновении нуклонов есть избыток энергии, превышающий энергию покоя мезона, то возможен квантовый процесс рождения мезона в свободном состоянии. В 1930-е годы еще не было ускорителей частиц. Но были известны естественные потоки ускоренных частиц - космические лучи. В поисках мезонов физики обратились к изучению взаимодействия космических частиц в атмосфере.

В 1937 году заряженная частица с массой приблизительно равной массе, предсказывавшейся для мезона в теории Юкавы, была найдена. Но это была не та частица!

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год