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.

---

В настоящее время физики различают четыре типа полей, ответственных за все протекающие во Вселенной процессы. Это два ядерных поля: электромагнитное и гравитационное. Ядерное поле сильных взаимодействий — наиболее мощное из всех полей, оно в сотни раз сильнее электромагнитного. Поле слабых взаимодействий в сто миллиардов раз слабее электромагнитного но во много триллионов раз сильнее гравитационного поля. Насколько известно, гравитация остается пока наиболее слабой силой в природе [19].

Тяжелый электрон

В 50-х годах μ-мезон становился все более и более загадочной частицей. В отличие от π-мезона, нужного для устойчивости ядер, он не играет никакой существенной роли, которую физики могли бы понять до конца. Более того, он постепенно теряет свою индивидуальность и становится все более и более похожим на разновидность электрона.

Это может показаться странным, так как наиболее отличительные свойства μ-мезона и электрона совершенно различны. Во-первых, μ-мезон в 207 раз тяжелее электрона, во-вторых, в то время как электрон — стабильная частица, μ-мезон нестабилен, он распадается за 2,212 ·10-6 сек.

И все же ряд свойств электрона и μ-мезона совпадают:

1) заряд электрона равен -1, а его античастицы, позитрона, + 1. В этом отношении μ-мезон похож на электрон. У него есть две разновидности: отрицательный μ-мезон, который, подобно электрону, имеет заряд -1 и является частицей, и положительный μ-мезон, который, подобно позитрону, имеет заряд +1 и является античастицей. Отрицательный μ-мезон изображается символом μ-, а положительный μ-мезон, являющийся античастицей, символом 'μ+;

2) в природе не существует «нейтрального электрона», т. е. нет незаряженной частицы с массой электрона. Точно так же нет и «нейтрального μ-мезона»;

3) спины электрона и позитрона равны +1/2 или -1/2. Такие же значения имеют спины отрицательного и положительного μ-мезонов.

4) электрон и позитрон никогда не участвуют в сильных взаимодействиях, зато принимают участие в слабых, как и положительный и отрицательный μ-мезоны;

5) наконец, магнитные свойства электрона и позитрона фактически совпадают с магнитными свойствами отрицательного и положительного μ-мезонов.

Важно ли различие в массе и стабильности μ-мезона и электрона, если они во многом так похожи?

Что касается различия в стабильности, им можно вообще пренебречь. Я уже говорил, что в субатомных масштабах время жизни 0,000002212 сек чрезвычайно велико. Это время находится в таком же отношении ко времени, характерному для сильных взаимодействий, как десять миллиардов лет к одной секунде. Событие, продолжающееся десять миллиардов лет, практически «вечно» по сравнению с событиями, длящимися одну секунду. Аналогично в субатомных масштабах времени μ-мезон существует практически «вечно», и разница между его временем жизни и действительно бесконечным временем жизни электрона и позитрона незначительна.

А вот различие масс μ-мезона и электрона остается загадочным. Тяжелые частицы участвуют как в слабых, так и в сильных взаимодействиях, в то время как легкие частицы, очевидно, участвуют только в слабых взаимодействиях. Граница проходит через π-мезон; π-мезон— самая легкая из известных тяжелых частиц, участвующая в сильных взаимодействиях.

Однако μ-мезон, масса которого составляет примерно 3/4 массы π-мезона, не участвует в сильных взаимодействиях. Он участвует только в слабых взаимодействиях. Почему же, несмотря на свою массу, он не способен участвовать в сильных взаимодействиях? Увы, до сих пор на этот вопрос нет ответа. Почему отрицательный (μ-мезон в сущности так похож на электрон, а положительный μ-мезон — на позитрон? И если μ-мезоны действительно просто «тяжелые электроны», то почему их масса именно в 207 раз больше массы электрона — не больше и не меньше? До сих пор физики не получили ответа ни на один из этих вопросов.

Поскольку нам приходится рассматривать μ-мезоны как более тяжелые электроны и позитроны, то они должны считаться лептонами и подчиняться закону сохранения лептонного числа. Отрицательному μ-мезону, подобно электрону, приписали лептонное число +1, а положительному μ-мезону, подобно позитрону, -1. Физики установили, что при таком выборе во всех субатомных процессах с участием μ-мезонов закон сохранения лептонного числа выполняется. А поскольку μ-мезон является лептоном, чтобы не впадать в заблуждение, его назвали мюоном. Конечно, существуют отрицательные и положительные мюоны.

Что касается π-мезона, он оправдывает свое название. Прежде всего он и не лептон, и не барион. Если ему приписать нулевые лептонное и барионное числа, то во всех субатомных процессах с участием π-мезона законы сохранения лептонного и барионного чисел будут выполняться. Тем не менее, по аналогии с мюоном π-мезон стали все чаще и чаще называть пионом. Пион существует в двух зарядовых состояниях: положительный пион (π+), являющийся частицей, и отрицательный пион ('π-), представляющий собой античастицу. В отличие от электрона и мюона пион может существовать и в виде незаряженной частицы — нейтрального пиона (π0), которая немного легче заряженного пиона — ее масса в 264 раза больше массы электрона, а живет она значительно меньшее время, распадаясь в течение 1,9·10-16 сек. Особенно необычно то, что нейтральный пион, подобно фотону, является своей собственной античастицей.

Если мюон только более тяжелая разновидность электрона, он должен дублировать его функции в атоме, что наблюдается в действительности. Электрон, находящийся во внешних областях атома, можно представить как частицу, вращающуюся вокруг атомного ядра по определенным орбитам, или как волну, имеющую определенные энергетические состояния. При определенных условиях отрицательные мюоны на короткое время занимают место электронов в атомах. (А положительные мюоны, вероятно, могут занять место вращающихся позитронов в атомах антивещества.) Атом, в котором отрицательный мюон замещает электрон, называется мезоатомом.

Конечно, разница масс мюона и электрона приводит к некоторым изменениям. Момент количества движения частицы, вращающейся вокруг ядра, кроме всего прочего зависит от массы частицы и ее расстояния от ядра.

Так как мюон в 207 раз тяжелее электрона, расстояние его от ядра должно быть меньше, чтобы при замене электрона мюоном момент количества движения не менялся.

В очень тяжелых атомах, внутренние электроны которых расположены близко к ядру, отрицательный мезон может так близко вращаться вокруг ядра, что почти вся его орбита будет находиться внутри ядра. Это обстоятельство еще раз показывает, насколько слабо он взаимодействует с протонами и нейтронами. (И снова мюон напоминает электрон, который тоже слабо взаимодействует с нуклонами. В противном случае ядро поглотило бы электроны и вещество в обычном его виде не существовало бы.)

Если мюон в мезоатоме представить в виде волны, имеющей определенные энергетические состояния, из-за большой массы энергия этих уровней соответственно выше, чем у электрона, а расстояние между соседними уровнями соответственно больше. Фотоны, излучаемые при переходе мюона в мезоатоме с одного энергетического уровня на другой, тоже имеют соответственно большую энергию, так что излучение мезоатомов находится в области рентгеновских лучей, в то время как обычные электронные атомы излучают видимую и ультрафиолетовую части спектра.

Конечно, мезоатомы так же нестабильны, как и мюоны, ибо когда мюон распадается в течение примерно одной миллионной доли секунды, атомное ядро заменяет его обычным электроном.

Глава 12. Мюонное нейтрино

Распад пиона

Если мюон действительно просто тяжелый электрон, при взаимодействии частиц он должен в точности копировать поведение электрона Например, отрицательный пион распадается, образуя отрицательный мюон, а положительный пион — положительный мюон, причем образование этих мюонов походит на рождение электронов. А поскольку электрон (или позитрон) рождается вместе с антинейтрино (или нейтрино), не будут ли возникать эти частицы и при образовании мюонов? Оказывается, нейтрино и антинейтрино действительно появляются при распаде мюонов, и мы можем записать:

'π-→ μ-+ 'ν

π+→'μ++ ν.

В обоих случаях суммарное лептонное число продуктов распада равно нулю. Закон сохранения лептонного числа требует, чтобы лептонное число частиц перед распадом также было равно нулю. До распада существовали только отрицательный и положительный пионы, которым по этим соображениям следует приписать нулевые лептонные числа. По-видимому, из взаимодействия следует, что «закон сохранения мезонного числа» не существует, так как при распаде пиона мюон исчезает бесследно. Но физики и не стремятся приспособить свои теории к закону сохранения мезонов. В этом смысле их вполне устраивает естественное положение вещей.