Айзек Азимов - Нейтрино - призрачная частица атома

• Название: Нейтрино - призрачная частица атома
• Автор: Айзек Азимов
• Издательство: Атомиздат
• Жанр: Физика
• Год: 1969

В книге известного популяризатора науки А. Азимова в живой и популярной форме изложены современные представления о самой неуловимой частице микромира — нейтрино. Азимов прослеживает цепь событий, приведших физиков к открытию нейтрино, рассказывает о том, как эту частицу научились регистрировать, о ее роли в эволюции Вселенной, о последних достижениях нейтринной физики — двухнейтринном эксперименте. Автор стремится раскрыть перед читателем современную физическую картину мира, но в то же время не подавить его массой сведений, столь обширных в этой области науки.

Книгой заинтересуются самые широкие круги читателей: школьники, преподаватели и те, кто следит за новейшими достижениями физики.

---

Эти законы справедливы для некоторых рассмотренных ранее взаимодействий с участием электронов и мюонов если при этом учесть различие двух типов нейтрино. Распад нейтрона происходит при участии электронного антинейтрино:

n→p++ e- + 'νe.

Нетрудно видеть, что электронное и мюонное числа равны нулю в начале и в конце распада.

Отрицательный пион распадается на отрицательный мюон и антинейтрино мюонного типа или на электрон и антинейтрино электронного типа:

'π-→ μ-+ 'νμ,

'π-→ e-+ 'νe .

Мюонное и электронное числа пиона равны нулю. В первом распаде пиона отрицательный мюон и антинейтрино мюонного типа имеют мюонные числа +1 и -1, т. е. их сумма равна нулю. Во втором — электрон и антинейтрино электронного типа имеют электронные числа +1 и -1 соответственно, т. е. их сумма также равна нулю. Те же самые соображения применимы и к распаду положительного пиона.

Физики установили, что в действительности при всех взаимодействиях частиц с участием мюонов или электронов или и тех и других вместе мюонное и электронные числа сохраняются. Конечно, их сумма (лептонное число) также сохраняется. Поскольку более важно сохранение этих чисел в отдельности, а не сохранение их суммы, законом сохранения лептонного числа перестали пользоваться, хотя он никогда не нарушался, и вместо него физики говорят о законах сохранения электронного и мюонного чисел.

Двухнейтринный эксперимент

Законы сохранения электронного и мюонного чисел имеют силу только в том случае, если электронное нейтрино и мюонное нейтрино на самом деле различны по своей природе. К сожалению, нет такого свойства, по которому можно было бы установить это различие. Оба типа нейтрино не имеют ни массы, ни заряда. Спины обоих равны +1/2 или -1/2, и оба имеют античастицы. В чем же тогда заключается их различие?

Физики не решались постулировать различие между электронным и мюонным нейтрино без дополнительного доказательства. Они искали взаимодействие, которое протекало бы по-разному в зависимости от того, одинаковы или различны эти нейтрино. Такой эксперимент был придуман и проведен в 1962 году в лаборатории Брукхейвена. Для проведения эксперимента требовался пучок нейтрино высоких энергий. Его получали при столкновении протонов большой энергии с бериллиевой мишенью, использовавшейся для получения интенсивного пучка положительно и отрицательно заряженных пионов (рис. 9).

Пучок пионов направляли на стену из стальной брони (от старого линкора) толщиной около 13,5 м. Не достигнув стены, приблизительно 10 % весьма нестабильных положительных пионов распадалось на положительные мюоны и мюонные нейтрино, такое же количество отрицательных пионов распадалось на отрицательные мюоны и мюонные антинейтрино. Кроме того, положительные пионы создавали позитроны и электронные нейтрино, а отрицательные пионы — электроны и электронные антинейтрино, но в таком незначительном количестве, что ими можно было свободно пренебречь.

Рис. 9. Рождение нейтрино в двухнейтринном эксперименте.

Когда этот конгломерат частиц сталкивался со стальной стенкой, пионы и мюоны обоих знаков останавливались, а нейтрино мюонного и электронного типов продолжали двигаться в прежнем направлении, проходя 13,5 м стальной брони, как через вакуум. По другую сторону от стальной стены было огорожено место, в котором располагался 10-тонный детектор (искровая камера), очень чувствительный к определенным ядерным процессам. Через искровую камеру проходил непрерывный поток нейтрино и мюонное антинейтрино. Очень редко мюонное нейтрино должно было реагировать с нейтроном, образуя протон и отрицательный мюон (по крайней мере, этого следовало ожидать согласно теории):

νμ+ n→p+ + μ-.

Барионное число при такой реакции сохраняется, так как нейтрон превращается в протон и оба имеют барионное число +1. Кроме того, сохраняется и мюонное число, так как мюонное нейтрино превращается в отрицательный мюон и оба имеют мюонное число +1. Это как раз то, что следовало бы ожидать, если справедлив закон сохранения мюонного числа. Ну, а что было бы в противном случае? Что если мюонное нейтрино совпадает с электронным нейтрино и сохраняется только лептонное число, а не электронное и мюонные числа в отдельности? Тогда мы должны были бы говорить просто о нейтрино, которое при взаимодействии с нейтроном может образовать протон и отрицательный мюон или протон и электрон:

ν+ n→p+ + μ-,

ν+ n→p+ + e-.

Если бы существовал только один тип нейтрино, то, согласно теории, вероятность образования отрицательных мюонов и электронов должна была быть одинакова и оба типа частиц должны были возникать в одинаковых количествах. В этом случае следовало пользоваться только сохранением лептонного числа.

Если же существуют два типа нейтрино, то, поскольку в искровую камеру попадают только мюонные нейтрино, должны возникать только отрицательные мюоны, а образование электронов не имело бы место. Тогда были бы справедливы законы сохранения электронного и мюонного чисел.

К июню 1962 года через искровую камеру прошло примерно сто триллионов нейтрино и было зарегистрировано 51 «событие». (Кроме них были, конечно, события, вызванные космическими лучами и другими косвенными причинами, — всего 480. Все они были идентифицированы и отброшены.) Из 51 события, вызванного нейтрино, каждое приводило к образованию отрицательного мюона и ни одно из них не создавало электрона. (Треки, образованные мюонами и электронами в искровой камере, совершенно непохожи друг на друга и их легко различить.)

Вывод из этого «двухнейтринного эксперимента» сводился к тому, что действительно существуют две разновидности нейтрино и можно смело говорить о законах сохранения электронного и мюонного чисел [21].

Сохранение четности

До сих пор, рассказывая о нейтрино, мы использовали семь законов сохранения: 1) импульса, 2) момента количества движения, 3) энергии, 4) электрического заряда, 5) барионного числа, 6) электронного числа, 7) мюонного числа.

Это не все законы сохранения, используемые физиками-ядерщиками, но, за одним исключением, их вполне достаточно для рассказа о нейтрино. Исключение связано с величиной, называемой четностью и представляющей собой чисто математическое свойство, описать которое наглядно довольно трудно. Для нас вполне достаточно знать, что каждая частица может быть четной или нечетной.

Удобство введения таких терминов состоит в том, что четности складываются так же, как четные и нечетные числа в арифметике. Например, два нечетных числа в сумме всегда дают четное число, два четных числа при сложении тоже дают четное число:

нечетное + нечетное = четное;

четное + четное = четное;

нечетное + нечетное = четное + четное;

Кроме того, нечетное и четное числа при сложении дают нечетное число:

нечетное + четное = нечетное;

нечетное + четное = нечетное + четное.

По-видимому, при взаимодействии частиц независимо от сложности процесса действуют такие же правила. Если нечетная частица распадается на две частицы, то одна из них оказывается нечетной, а другая — четной. Если же четная частица распадается на две частицы, то обе они оказываются либо четными, либо нечетными.

Поскольку эти правила выполняются, говорят о законе сохранения четности, который утверждает, что четность замкнутой системы остается постоянной.

Неприятности появились после открытия K-мезонов (которые иногда называют каонами) в конце 40-х годов. Эти мезоны тяжелее пионов, их масса в 966 раз больше массы электрона, но они в два раза легче нейтрона и протона, K-мезоны распадаются по-разному. Иногда K-мезон распадается на два пиона, а иногда — на три. Два пиона образуют четную группу частиц, а три — нечетную (так как пион — нечетная частица). Чтобы не входить в противоречие с законом сохранения четности, предположили, что имеются два типа K-мезонов, один из которых нечетный и распадается на три пиона, а другой четный и распадается на два пиона. Типы мезонов стали различать с помощью греческих букв: нечетный K-мезон назвали τ-мезоном, а четный — θ-мезоном. Во всех отношениях, за исключением четности, два мезона были совершенно одинаковыми. Но достаточно ли одной четности, чтобы отличить одну частицу от другой? Может быть, существует только одна частица, а не две, и четность не обязательно сохраняется? В 1956 году китайские физики Цзун-дао Ли и Чжень нин Янг, работающие в США, выдвинули теоретические соображения о том, что, хотя четность сохраняется в сильных взаимодействиях, она не обязательно должна сохраняться в слабых взаимодействиях (а распад K-мезонов является, конечно, примером слабого взаимодействия).