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.

---

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.

Однако возникает законный вопрос: почему пион распадается только на мюон, если мюон является просто тяжелым электроном? Почему при распаде не образуется электрон? Оказывается, такой распад иногда имеет место.

В 1958 году было обнаружено, что один пион из 7000 распадается на электрон, а не на мюон:

'π-→ e-+ 'ν,

π+→'e++ ν.

Почему мюоны и электроны образуются не в одинаковом количестве? Прежде всего, из-за разницы в массах. Мюон во много раз тяжелее электрона, поэтому почти вся энергия, освобождающаяся при распаде пиона, идет на образование массы, и только незначительная ее часть превращается в кинетическую энергию. В результате возникший мюон имеет скорость порядка 40 000 км/сек. При образовании электрона только очень незначительная часть энергии распада превращается в массу и электрон вылетает со скоростью более 290 000 км/сек, что очень близко к скорости света.

При создании теории слабых взаимодействий Ферми показал, что вероятность рождения мюона, а не электрона при распаде пиона зависит, в частности, от скорости образующейся частицы. Чем ближе скорость частицы к скорости света, тем меньше вероятность ее рождения. Именно поэтому медленный мюон образуется чаще, чем быстрый электрон.

Если не учитывать разности масс, можно сказать, что для любого известного взаимодействия частиц с участием электронов (или позитронов) имеются аналогичные взаимодействия, в которых участвуют отрицательные (или положительные) мюоны.

А одинаковы ли нейтрино и антинейтрино, образующиеся вместе с электронами и мюонами?

Вначале, когда сходство между электронами и мюонами не принимали во внимание и мюон считали особой частицей, не похожей на электрон, не было оснований думать, что легкие нейтральные частицы, образующиеся при рождении мюона, должны быть обязательно нейтрино. Было известно, что мюон намного тяжелее электрона, и поэтому казалось разумным предположить, что легкая нейтральная частица, возникающая вместе с ним, тяжелее невесомого нейтрино, но, несомненно, легче нейтрона. Поэтому некоторое время частицу с промежуточной массой физики называли «нейтретто». Подозревали даже, что она тяжелее электрона.

При более внимательном изучении «нейтретто» было обнаружено, что величину ее массы следует уменьшать и уменьшать. Все больше начинало казаться, что эта частица, подобно нейтрино, не имеет массы. Поэтому, когда было установлено сходство мюона и электрона, ничего не стоило предположить, что рождение мюона и электрона сопровождается нейтрино, одинаковыми в обоих случаях.

Сохранение электронного и мюонного чисел

Однако, если нейтрино, сопровождающее возникновение электрона, идентично нейтрино, сопровождающему рождение мюона, появляется новый вопрос в связи с распадом мюона. При распаде отрицательного мюона образуется электрон, а при распаде положительного — позитрон. Кроме того, в первом случае должно было бы возникнуть антинейтрино, а во втором — нейтрино:

μ-→ e-+ 'ν, 'μ+→'e++ ν.

Можно заметить, что с лептонным числом творится что-то неладное. Отрицательный мюон имеет лептонное число +1, а лептонные числа электрона и антинейтрино + 1 и -1 соответственно, т. е. их суммарная величина равна нулю. С другой стороны, положительный пион имеет лептонное число -1, а позитрон и нейтрино — лептонные числа -1 и +1 соответственно, следовательно, их суммарное значение тоже равно нулю.

Нарушается ли закон сохранения лептонного числа? Или следует мюону приписать нулевое лептонное число? Ни одна из этих возможностей неприемлема для физиков, ибо вызвала бы больше вопросов, чем решила. Проще всего выйти из положения, если предположить, что при распаде мюона возникает еще третья частица.

Допустим, при распаде отрицательного мюона рождается не только электрон и антинейтрино, но еще и нейтрино, а при распаде положительного мюона — позитрон, нейтрино и антинейтрино, т. е.

μ-→ e-+ 'ν + ν,

'μ+→'e++ ν + 'ν.

Таким образом, если вначале был отрицательный мюон с лептонным числом +1, после распада будут три частицы с лептонными числами +1, -1 и +1 и их сумма равна +1. Если вначале был положительный мюон с лептонным числом -1, после распада возникнут три частицы с лептонными числами -1, +1 и -1, и их сумма равна -1. Так, не лишая мюона принадлежности к лептонам, мы одновременно спасли закон сохранения лептонного числа.

Но не все еще ясно. Присутствие нейтрино и антинейтрино среди продуктов распада мюона приводит к новой проблеме.

Обычно частица и античастица при достаточном сближении, аннигилируют, излучая фотоны соответствующей энергии. Возможно, нейтрино и антинейтрино аннигилируют с меньшей вероятностью, чем обычные частицы и античастицы, но такая аннигиляция должна происходить, даже если это редкое явление. Тогда время от времени отрицательный мюон распадался бы на электрон и фотоны, а положительный мюон — на позитрон и фотоны, а фотоны легко было бы зарегистрировать. Однако их нет. Почему?

Одна теория, предложенная для объяснения отсутствия фотонов, заставляла отказаться от существования w-частицы. Если w-частица не существует, распад мюонов на электроны и фотоны должен был происходить так редко, что его нельзя было бы обнаружить. Однако w-частица часто используется в теории, и физики начали искать другое объяснение.

Объяснение появилось в 1957 году и сводилось к предположению, что нейтрино и антинейтрино, возникающие при распаде мюона, на самом деле не являются настоящими частицей и античастицей. Иными словами, электрон при распаде образует один сорт нейтрино, которое можно назвать электронным нейтрино νe (ему соответствует электронное антинейтрино 'νe), а мюон образует нейтрино другого сорта — мюонное нейтрино νμ, (которому соответствует мюонное антинейтрино 'νμ).

Рассмотрим теперь распад мюона в новом свете. Отрицательный мюон распадается на электрон и электронное антинейтрино. Следовательно, третья частица, образующаяся при распаде отрицательного мюона, должна быть мюонным нейтрино. Поэтому электронное антинейтрино и мюонное нейтрино не аннигилируют, так как они не являются комбинацией частица — античастица. По тем же соображениям положительный мюон распадается на позитрон, электронное нейтрино [20] и мюонное антинейтрино. Запишем распады мюонов в следующем виде:

μ-→ e-+ 'νe+ νμ,

'μ+→'e++ νe+ 'νμ.

Нетрудно заметить, что при такой записи лептонное число сохраняется, а кроме того, возникает возможность сформулировать два более узких закона сохранения. Разделим все лептоны на электронное и мюонное семейства. Семейство электронов включает электрон, позитрон, электронное нейтрино и электронное антинейтрино. Электрон и электронное нейтрино имеют электронное число +1 каждый, а позитрон и электронное антинейтрино — соответственно -1 каждый. К семейству мюонов относят ся отрицательный мюон, положительный мюон, мюонное нейтрино и мюонное антинейтрино. Отрицательный мюон и мюонное нейтрино должны иметь мюонное число +1, а положительный мюон и мюонное антинейтрино — мюонное число -1. (Фотон, оставшийся лептон, не принадлежит ни к одной из этих групп, и его электронное и мюонное числа равны нулю. Точно так же будет обстоять дело с мезонами и барионами. Более того, частицы из семейства электронов будут иметь нулевые мюонные числа, и наоборот.)

Уравнения, описывающие распад мезона и образование двух разных нейтрино, иллюстрируют закон сохранения электронного числа и закон сохранения мюонного числа, которые утверждают соответственно, что суммарное значение электронного числа и суммарное значение мюонного числа замкнутой системы остаются постоянными.

Рассмотрим сначала распад отрицательного мюона, имеющего мюонное число +1 и нулевое электронное число. При распаде образуются три частицы: электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино, мюонные числа которых равны 0, 0 и +1 соответственно, а электронные числа равны +1, -1 и 0 соответственно. Таким образом, мюонное и электронное числа сохраняются. Аналогично можно показать, что мюонное и электронное числа сохраняются и в случае распада положительного мюона.