Несмотря на отсутствие четкого определения термина «элементарная частица», мысль о том, что вся материя состоит всего из двух типов элементарных частиц, оказалась очень живучей и всепроникающей, как это ни странно с современной точки зрения. Например, когда в 1932 г. Джеймс Чедвик открыл нейтрон, общепринятым было предположение, что нейтроны — это некое сильно связанное состояние протонов и электронов. В своей статье, рассказывающей об открытии, Чедвик высказал мнение: «Конечно, можно предположить, что нейтрон — это элементарная частица. На текущий момент в пользу этой точки зрения очень мало аргументов, но одним из них является возможность объяснить статистические данные по ядру азота-14»
[63]. (Некоторые могут подумать, что это очень весомый аргумент: исследование молекулярного спектра показало, что ядро азота-14 является бозоном, а это невозможно, если оно представляет собой связанное состояние протонов и электронов
[64].) И только открытие независимости сил ядерного взаимодействия от электрического заряда, сделанное в 1936 г. Мерлом Тьювом и его коллегами, ясно показало, что нейтроны и протоны должны рассматриваться с одинаковых позиций: если протоны — это элементарные частицы, тогда и нейтроны должны быть элементарными тоже
[65]. Сегодня зачастую используют общий термин «нуклон», когда говорят о протонах и нейтронах.
С этого начался существенный рост списка так называемых элементарных частиц. В 1937 г. он пополнился мюонами (хотя вплоть до недавнего времени их природа была неясна)
[66], а пионы и странные частицы были открыты в 1940-х гг.
[67] В 1930 г. Вольфганг Паули высказал предположение о существовании новых частиц — нейтрино, которые затем в 1933 г. вошли в теорию бета-распада Энрико Ферми, однако обнаружить эти частицы удалось только в 1955 г. в эксперименте Райнеса-Коуэна
[68]. Позже, в конце 1950-х гг., благодаря ускорителям и пузырьковым камерам удалось открыть огромное множество новых сильно взаимодействующих частиц, более тяжелых родственников нуклонов и пионов.
Теоретики полагали, что типов элементарных частиц не должно быть слишком много, а значит, большая их часть состоит из ограниченного набора типов элементарных частиц. Однако для таких связанных состояний должны быть характерны очень сильные взаимодействия, которые не наблюдались в атомах или атомных ядрах. Например, пионы намного легче нуклонов и антинуклонов, поэтому если пион — это связанное состояние нуклона и антинуклона, как предполагали Ферми и Чжэньнин Янг, тогда его отрицательная энергия связи должна быть достаточно большой, чтобы скомпенсировать почти всю массу составляющих частиц. Составная природа такой частицы далеко не очевидна.
Каким образом можно определить, какие частицы являются элементарными, а какие — составными? Как только этот вопрос был сформулирован, стало понятно, что старый ответ, согласно которому частицы признаются элементарными, если от них невозможно ничего отделить, уже неверен. Пионы образуются, когда протоны сталкиваются друг с другом, а протоны и антипротоны испускаются при столкновении пионов с достаточно высокими энергиями, так что из чего состоит? Джеффри Чу и другие исследователи в 1950-х гг. превратили эту дилемму в принцип, известный теперь как «ядерная демократия», который гласит, что любая частица может считаться связанным состоянием любых других частиц, имеющих соответствующий заряд, спин и т. д. Позже, в 1975 г., эта точка зрения получила свое отражение в докладе Вернера Гейзенберга для Немецкого физического сообщества, где он отметил:
Эта новая ситуация подтверждалась в экспериментах 1950–1960-х гг. снова и снова; было найдено множество новых частиц с разными временами жизни, но ответа на вопрос «из чего состоят эти частицы?» по-прежнему не было. Протон можно получить из нейтрона и пиона, или из лямбда-гиперона и каона, или из двух нуклонов и одного антинуклона и т. д. Можем ли мы в таком случае просто утверждать, что протон состоит из непрерывной материи? Подобное утверждение будет одновременно верным и ошибочным: между элементарными частицами и составными системами нет принципиальной разницы. Вероятно, это важнейший экспериментальный результат последних 50 лет
[69].
Задолго до того, как Гейзенберг пришел к этому слегка преувеличенному заключению, широкое распространение получило другого рода определение элементарной частицы. С позиций квантовой теории поля, разработанной Гейзенбергом, Паули, Виктором Вайскопфом и другими в период с 1926 по 1934 г., основными компонентами природы являются не частицы, а поля. Частицы, такие как электрон и фотон, представляют собой сгустки энергии электронного поля и электромагнитного поля, соответственно. Будет естественным назвать элементарной такую частицу, поле которой фигурирует в фундаментальных полевых уравнениях, или, как обычно формулируют теоретики, в функции, называемой лагранжианом системы, из которой можно вывести все полевые уравнения. Не имеет значения, является частица легкой или тяжелой, стабильной или нет: если ее поле появляется в лагранжиане, то частица элементарная, а если не появляется, тогда нет.
