Файл: Мякишев Г.Я. Элементарные частицы.pdf

ГЛАВА СЕДЬМАЯ,

вилось на страницах научных журналов около 30 лет на­ зад. Необычным путем вошла новая частица в науку, удивительными оказались ее свойства, и не исключено, что именно с ней связаны самые глубокие тайны приро­ ды. Эту частицу пришлось «изобрести», чтобы не рухнул фундамент, на котором покоится здание физики. Чет­ верть века вела она призрачное существование на стра­

Лишь в 1956 г. она была открыта экспериментально.

95

Нейтрино по-русски означает нейтрончик. Так назвал эту частицу итальянский физик Энрико Ферми. А летом 1962 г. выяснилось, что нейтрино не одинок. Их стало двое. Если учесть, что каждой частице соответствует двойник—античастица, то всего частиц этого вида че­ тыре: два нейтрино и два антинейтрино.

Нейтрино и сохранение энергии. При р-распаде радио­ активных ядер из них вылетают электроны. Но, стран­

и электрона.

После открытия нейтрона стало ясно, что р-распад ядер обусловлен тем, что один из нейтронов ядра превра­ щается в протон и при этом испускает электрон. Оказа­ лось, однако, что энергия нейтрона всегда больше сум­ марной энергии рожденных им частиц. Неужели часть энергии бесследно исчезает?

Тогда швейцарский физик Вольфганг Паули поставил вопрос, а что, если вместе с протоном и электроном при распаде нейтрона рождается какая-то частица-невидим­ ка, которая уносит с собой недостающую энергию? Эта частица остается незамеченной потому, что, не имея элек­ трического заряда и массы покоя, она не способна отры­ вать электроны от атома, расщеплять ядра, т. е. не может производить наблюдаемые эффекты, по которым мы обычно судим о появлении частицы.

Конечно, нелепо утверждать, будто частица, какой бы удивительной она ни была, вообще ни с чем не взаимо­ действует, поскольку в таком случае введение нейтрино в физику означало бы завуалированный отказ от закона сохранения энергии. Выходило бы, что энергия теряется вместе с нейтрино безвозвратно и навсегда. Вот по­ чему Паули предположил, что нейтрино просто очень слабо взаимодействует с веществом и поэтому может пройти сквозь большую толщу материала, не обнаружи­ вая себя.

Нейтрино — единственная частица, способная участ­ вовать только в слабых взаимодействиях.

Масса покоя нейтрино оказалась равной нулю, как и масса покоя фотона. За этими словами кроется простой смысл: покоящихся нейтрино нет. Они всегда движутся

S6

со скоростью света. Подсчитали, как взаимодействует нейтрино с веществом в слое определенной толщины. Увы, результат оказался далеко не утешительным. Зем­ ной шар для нейтрино более прозрачен, чем самое луч­ шее оптическое стекло для света. Лишь одно из каждых 1010 нейтрино, проходящих через центр Земли, имеет не­ которую вероятность прореагировать с другой частицей.. А вот в плотной стене, толщина которой превысила бы в 10 раз размеры нашей Галактики, нейтрино поглощалось бы наверняка. И тем не менее нейтрино было обнаружена на Земле!

Нейтрино открыто! Как же было открыто нейтрино (точнее, его двойник — антинейтрино) экспериментально?

Общая теория реакций между частицами предсказы­ вала, что при попадании антинейтрино в протон возник­ нут позитрон и нейтрон. Вероятность такого процесса мала из-за чудовищной проникающей способности анти­ нейтрино. Но если антинейтрино будет очень много, то можно надеяться их обнаружить. Громадные потоки ан­ тинейтрино возникают при работе атомного реактора, когда при делении ядер урана появляется множество сво­ бодных нейтронов, которые затем распадаются. Ежесе­ кундно рождается не меньше 1018 антинейтрино.

И вот возле реактора (опыт был проведен в США в 1956 г.) в землю был закопан ящик со свинцово-парафи- новыми стенками, защищавшими содержимое этого ящи­ ка от посторонних излучений. В ящик было помещено200 л воды, окруженной слоем жидкого сцинтиллятора (сцинтиллятор—вещество, дающее вспышки света при: прохождении сквозь него у-квантов).

Позитрон, появившийся при попадании антинейтрино- в один из протонов молекулы воды, немедленно анниги­ лирует с одним из электронов, давая два гамма-кванта. Гамма-кванты вызывают вспышки сцинтиллятора, кото­ рые регистрируются 150 фотоумножителями. Рожденный при реакции нейтрон после некоторого блуждения (нес­ колько миллионных долей секунды) захватывается яд­ ром кадмия, который специально добавляется к воде из-за его способности сильно поглощать нейтроны. После этого ядро кадмия излучает несколько гамма-квантов,, сигнализируя тем самым о появлении нейтрона. По воз­ никновению двух разлетающихся в разные стороны гам­ ма-квантов, а спустя небольшой промежуток времени

еще нескольких было установлено существование анти­ нейтрино с той степенью очевидности, какая только воз­ можна в мире элементарных частиц. Не очень наглядно, правда, зато совершенно бесспорно.

Самая удивительная частица. Роль нейтрино не сво­ дится только к объяснению распада нейтрона. Превраще­ ния многих других элементарных частиц «нарушают» законы сохранения, если не принимать во внимание рож­ дение нейтрино или антинейтрино. Например, если под­ считать баланс энергии и других сохраняющихся величин для распада я-мезона, наблюдающегося в камере Виль­ сона, то опять обнаружится неувязка, как и при распаде нейтрона. Значит, и здесь рождается нейтрино.

Впрочем, при распаде я-мезона появляется еще более непонятная частица, чем нейтрино. Давайте попробуем предсказать, как должен распасться я+-мезон. Мы уже знаем, что все реакции, не запрещаемые законами сохра­ нения, возможны. Значит, вполне допустима реакция:

тЛ -> е+ + v.

сохранения энергии. Также выполнены законысохране­ ния электрического и лептонного зарядов.

Такая реакция и идет в действительности. Но лишь 0,014% пионов распадается подобным образом, а 99,986% пионов распадается на ц-мезон и нейтрино. Лишь впос­ ледствии ц-мезон, частица в 207 раз более тяжелая, чем электрон, распадается на позитрон, нейтрино и антиней­

Впрочем, удивительным здесь является не то, что пион распадается преимущественно на мюон и нейтрино.

Из теории слабых взаимодействий как раз вытекает, что получение при распаде пиона сравнительно тяжелого мюона гораздо более вероятно, чем получение более легкой частицы — электрона.

Удивительно то, что в природе вообще появляется мюон.

Как уже говорилось ранее, мюон — абсолютный двой­ ник электрона во всем, кроме массы. То, что одна из ча­ стиц стабильна, а другая распадается (мюон живет око-

98