Как только на горизонте физики «взошли» странные частицы, исследователи сразу же ощутили недостатки имеющейся классификации и необходимость новой систематизации.
Наша первая классификация элементарных частиц была основана на массе. Входило в нее квантовое число — спин, входил в нее электрический заряд. Совокупность всех этих характеристик позволяла специалистам разобраться в реакциях взаимодействия известных частиц и разделить их на две большие группы. К первой отнесли участвующие в слабых взаимодействиях лептоны — фотон, электрон, нейтрино и мюоны. А ко второй группе сильно взаимодействующих частиц (адронов, как их позже назвали с легкой руки советского физика Окуня) отнесли открытые экспериментаторами «К»- и «Пи»-мезоны, а также все известные в пятидесятых годах барионы; два нуклона — протон и нейтрон, один ламбда-гиперон, два гиперона-сигма и один каскадный гиперон-кси.
При этом К-мезоны и все гипероны представляли собой странные частицы. Странность-то их и требовала нового подхода и классификации. Нужно было во что бы то ни стало сначала найти что-то общее для всех адронов, а потом попытаться разбить их на какие-то группы… Опыт такой уже был известен. Еще в 1932 году, размышляя над схожестью протона и нейтрона, Гейзенберг предложил объединить их в одно семейство — зарядовый мультиплет. Массы у них были почти одинаковы, спины — равны. Заряды, правда, были разными. Но зато обе частицы участвовали в сильных взаимодействиях. А если предположить, что масса частиц создается, в основном, именно сильным взаимодействием, то можно предположить, что оно не зависит от зарядов… Родилась весьма плодотворная идея о зарядовой независимости ядерных сил, подтвержденная позже многочисленными опытами.
Так с той поры и считалось, что зарядовый мультиплет нуклонов состоит из дублета — протона и нейтрона.
Когда же частиц прибавилось, физики поневоле задумались: а нельзя ли по опыту Гейзенберга объединить в зарядовые мультиплеты и другие известные частицы. Попробовали. И знаете, получилось на первых порах неплохо.
Общей характеристикой объединенных в зарядовые мультиплеты частиц явилась величина, названная гиперзарядом. Это просто средний электрический заряд мультиплета, умноженный, чтобы избежать дробных значений, на два. Гелл-Манн и Нишиджима связали гиперзаряд со странностью и барионным зарядом простой зависимостью. А поскольку барионный заряд сохранялся во всех взаимодействиях, то сохранение странности было эквивалентно сохранению гиперзаряда. А эта величина, по предположению молодых теоретиков, сохранялась при сильных взаимодействиях и не сохранялась при слабых…
Введение новой характеристики потребовало тут же пересмотра имеющихся мультиплетов. Прежде всего неприятности коснулись триплета каонов. Казалось, реализованы были все зарядовые возможности: экспериментаторы «поймали» положительный, нейтральный и отрицательный каоны. Что придумать еще?.. Но каоны — странные частицы. Они рождались при сильном взаимодействии, а распадались при слабом. А это означало, что при рождении у них гиперзаряд должен был сохраняться, а при распаде — нет!.. Но этого на опыте не наблюдалось… Что же делать?..
И тогда Гелл-Манн и Нишиджима предложили дополнить семейство каонов до четырех штук за счет другого нейтрального К-мезона, отличного от первого. Тогда физики получат два каонных дублета, и зарядовый мультиплет будет полностью сформирован.
Надо сказать сразу, что мало кто отнесся к предложению с энтузиазмом. Особенно удручены были экспериментаторы. На самом деле, попробуйте отличить друг от друга две нейтральных, лишенных электрического заряда, частицы, обладающих одинаковой массой… Тут было над чем подумать.
Но в конце концов, конечно, все утряслось. Теоретики отыскали реакции, в которых законы сохранения разрешали участвовать одной нейтральной частице и запрещали принимать участие другой. Экспериментаторы поставили соответствующие опыты. И в 1956 году второй нейтральный каон был найден. Он оказался куда более долго живущим. По сравнению с первым он жил примерно в 580 раз дольше.
После каонов наступила очередь гиперонов-сигма. Из таблицы видно, что заряды двух известных гиперонов отличались на целых две единицы. Но, по правилам, в зарядовом мультиплете заряды частиц могли отличаться только на единицу. Значит, где-то должен был существовать третий гиперон-сигма с нулевым зарядом.
Должен, если классификация по зарядовым мультиплетам правильна, если верен принцип, положенный в ее основу…
Надо думать, что сторонники новой классификации немало поволновались, пока экспериментаторы гоняли свои ускорители в поисках нейтрального гиперона-сигма. И что вы думаете? Они его нашли! Нашли голубчика и возрадовались. И это понятно, потому что находка подтверждала, что физики на правильном пути. Ведь что такое закон, что такое правильная классификация, построенная на основании правильных законов? Это значит вовсе не то, что они могут объяснить более или менее правдоподобно непонятные явления. Объяснений можно придумать миллион! А вот предсказать новые открытия можно только тогда, когда правильно, действительно правильно понимаешь наблюдаемые явления, когда понял их суть и вывел закономерность…
С каскадным гипероном-кси положение было еще хуже. Экспериментаторы обнаружили только одну частицу — Кси минус гиперон. А сколько их должно быть?
Даже самые тщательные поиски результатов не давали. Может быть, гиперон-кси — тоже одиночка, вроде гиперона-ламбда? Но теоретики упорствовали. Странность сохранялась только в том случае, если предположить, что где-то есть ему пара…
Лишь в 1960 году на мощном синхротроне был зарегистрирован распад нейтрального каскадного гиперона-кси Σ° c массой 1311 МэВ.
Теперь уже смело можно было говорить, что новая классификация странных частиц, предложенная Гелл-Манном и Нишиджимой, оказалась правильной.
Прошло несколько лет и все мультиплеты барионов как для частиц, так и для античастиц были найдены.