Текст книги "Нейтрино - призрачная частица атома"

Автор книги: Айзек Азимов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 13 страниц)

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  мстальной 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):

ν _μ+ 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]

[Закрыть].

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 четностьюи представляющей собой чисто математическое свойство, описать которое наглядно довольно трудно. Для нас вполне достаточно знать, что каждая частица может быть четнойили 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).

Для проверки гипотезы Ли и Янга нужно было произвести эксперимент, результат которого зависел бы от того, сохраняется четность или нет (аналогично тому, как шестью годами позже возникла необходимость в связи с различием между электронными и мюонными нейтрино для проверки справедливости закона сохранения электронного и мюонного чисел).

Рис. 10. Отличие правого от левого.

Предложенный экспериментальный метод был основан на возможности отличить правое от левого (рис. 10), которая зависит от того, совпадает или не совпадает предмет со своим зеркальным изображением. Ваша левая рука, отраженная в зеркале, похожа на правую, а зеркальное изображение правой руки похоже на левую. Но ни одна из рук не похожа на свое зеркальное изображение из-за того, что большой палец находится только на одной стороне руки и делает ее несимметричной. Именно поэтому можно говорить о «левой» руке и о «правой» руке. Если бы на ваших руках большие пальцы были с обеих сторон, то каждая рука совпадала бы со своим зеркальным изображением и правое нельзя было бы отличить от левого.

Можно показать, что если пространственная четность сохраняется, в мире субатомных частиц нельзя отличить правое от левого, т. е. не существует ни «правых» ни «левых» частиц и все частицы ведут себя совершенно симметрично. Если бы они распадались и испускали частицы, последние разлетались бы во всех направлениях одинаково. Если же четность не сохраняется, должны существовать левые и правые частицы, причем первые при распаде должны были бы испускать частицы преимущественно в одном направлении, а вторые – в противоположном.

Необходимый эксперимент был проведен другим китайским физиком, работающим в США, мадам Цзянь сюн By. Атомы, излучающие β-частицы (посредством слабого взаимодействия), охлаждались до температуры, близкой к абсолютному нулю, и помещались в магнитное поле. Поле выстраивало все атомы в одном направлении, а из-за низкой температуры им не хватало энергии, чтобы изменить это направление. За сорок восемь часов эксперимент дал ответ: электроны испускаются асимметрично, в слабых взаимодействиях пространственная четность не сохраняется, а θ-мезон и τ-мезон – одна и та же частица, которая в одних случаях распадается на нечетную группу мезонов, а в других – на четную [22]

[Закрыть]. Вскоре и другие эксперименты подтвердили несохранение пространственной четности, по крайней мере в слабых взаимодействиях, а в 1959 году американский физик Морис Голдхабер доказал, что нейтрино и электроны – «левые» частицы, а антинейтрино и позитроны – «правые».

Но эксперименты не дали ответ на многие вопросы. Почему частицы такие? Почему нейтрино, которое участвует только в слабых взаимодействиях, бывает «правым» или «левым»? Что является причиной этой асимметрии и почему она существует в слабых взаимодействиях и не существует в сильных?

Как видите, успехи физиков приводят не только к решению проблем, но и задают им новые загадки. Почему протон в 1836,11 раз тяжелее электрона? Почему электронов гораздо больше, чем позитронов? Почему мюон в 207 раз тяжелее электрона, а во всем остальном похож на него?

Чем же различаются нейтрино мюонного типа и нейтрино электронного типа, если их масса, заряд и спин одинаковы?

Почему частицы симметричны в сильных взаимодействиях и асимметричны в слабых?

Ни на один из перечисленных вопросов до сих пор нет ответа. Но я не сожалею, что должен закончить рассказ о нейтрино вопросами. Что это была бы за наука без загадок, которые вдохновляют и возбуждают ученого? И откуда придут великие и волнующие открытия, если не из этих же самых загадок?

Загадки Вселенной существуют и, вероятно, будут существовать всегда. Полного и окончательного ответа мы, может, так никогда и не получим. Но с каждым поколением загадки становятся все более утонченными, а игра все более стоящей и восхитительной.

Гравитон

Хотя мой рассказ о нейтрино окончен, я должен добавить несколько слов, так сказать, постскриптум.

Вы наверное думаете, что нет ничего более призрачного, чем невесомое, незаряженное нейтрино, которое свободно проходит сквозь огромные толщи твердого вещества. Кажется, невозможно превзойти изобретательность ученых, которые предсказали существование такой частицы, а затем не просто обнаружили ее, а нашли четыре разновидности неуловимой частицы.

Однако существует в природе частица еще более призрачная, чем нейтрино. Физикам известны четыре типа полей: 1) сильные взаимодействия, 2) электромагнитные взаимодействия, 3) слабые взаимодействия и 4) гравитационные взаимодействия. Первые три взаимодействия связаны с обменными силами и обменными частицами. Для первого взаимодействия такой частицей является пион, для второго – фотон, а для третьего w-частица.

А что можно сказать о гравитационном взаимодействии? Если это поле, оно тоже должно обладать частицами, посредством которых его влияние распространяется от одного тела к другому, а поскольку гравитация, подобно электромагнетизму, представляет собой дальнодействующее взаимодействие, его обменные частицы в отличие от пиона и w-частицы должны иметь нулевую массу подобно фотону.

Гравитационная обменная частица, подобно фотону, должна быть лептоном, она электрически нейтральна и совпадает со своей античастицей. Единственное отличие этой частицы от фотона должно заключаться в спине. Из теоретических соображений физики предполагают, что ее спин равен +2 или -2, тогда как спин фотона +1 и -1 (другие лептоны и барионы большей частью имеют спины +1/2 или -1/2, а спин мезонов равен 0). Частице гравитационного поля физики дали имя гравитон.Видимые тела оказывают друг на друга гравитационное действие посредством непрерывного излучения и поглощения огромного количества гравитонов.

Однако гравитоны до сих пор не обнаружены. Прежде всего, если они вообще существуют, они обладают чрезвычайно малой энергией (если принять во внимание необычайную слабость гравитационного взаимодействия). Гравитоны большой энергии, которые можно было бы обнаружить, вероятно, возникают, например, при быстром колебательном движении звезды. Звездные катастрофы не редки, звезды взрываются и коллапсируют, огромные массы вещества извергаются наружу и устремляются внутрь звезды (или даже попеременно наружу и внутрь в случае пульсирующих звезд), но центр тяжести звезды остается неподвижным. Отдельные части звезды движутся быстро, но звезда как целое неподвижна, а без движения всего тела энергия гравитонов не возрастает.

Неужели, наконец, физики столкнулись с непреодолимым барьером, встретились с частицей, которую невозможно обнаружить?

Вряд ли кто-нибудь отважится предсказать подобное, принимая во внимание последние достижения науки. Вряд ли кто-нибудь отважится утверждать, что в науке невозможен и такой подвиг.

А пока будем надеяться, что ученые создадут методы регистрации гравитонов. Подождем и посмотрим.

Послесловие

А. А. Поманский

Понятие нейтрино охватывает в настоящее время одну из наиболее интересных и сложных областей современной физики и нейтринной астрофизики. Экспериментальные установки, предназначенные для исследований в этих областях, настолько грандиозны по размерам, сложны по управлению и уникальны по чувствительности, что само их создание находится на грани достижений современной науки и техники.

Идеи, заложенные в основополагающих работах советских физиков академиков М.А.Маркова и Б.М.Понтекорво, начали интенсивно претворяться в жизнь в самые последние годы. Причем информация, которая должна быть получена в результате проведения этих экспериментов, настолько фундаментальна и важна для современной физики и астрофизики, что не приходится считаться с большими затратами, необходимыми для создания экспериментальных установок. Физики не жалеют тратить многие годы, а порой и десятилетия для получения этой информации.

Понятно, что каждую книгу и научную статью о нейтрино (а число их год от года растет) читатели встречают с большим интересом. С таким чувством читатели раскроют и книгу Айзека Азимова – замечательного писателя-фантаста и известного популяризатора науки. Однако по мере чтения читателя охватывает некоторое недоумение и даже разочарование: проходит четверть книги, треть, половина, а о нейтрино пока еще, за исключением заглавия и нескольких вводных слов, ничего не сказано. И хотя автор логично «оправдывается» в подстрочном примечании 16, говоря, что ему нужно было подвести читателя к нейтрино, рассказав про законы сохранения, строение атома, радиоактивный распад и другие характерные для микромира явления, тем не менее у читателя остается некоторая неудовлетворенность, тем более что изложение соответствующих вопросов подчас не обладает достаточной научной строгостью. В качестве примера укажем на неоднократно повторяющееся утверждение, что фотоны – это лептоны. Хотя Азимов и говорит, что логично фотону не приписывать лептонное число, далее он опять несколько раз повторяет, что фотон – это лептон. Первая половина книги Азимова кажется тем более лишней, что советский читатель увидел недавно во втором издании замечательную книгу ныне покойного член-корр. АН СССР К.И.Щелкина «Физика микромира», в которой соответствующие вопросы изложены на исключительно высоком научном уровне, сочетающемся с занимательностью, простотой и наглядностью изложения.

Заметно интереснее становится книга, когда А.Азимов переходит непосредственно к физике сегодняшнего дня – к нейтринным экспериментам. Автор подробно и достаточно строго описывает фундаментальный опыт Рейнеса и Коуэна, которые экспериментально подтвердили существование нейтрино, рассказывает о начальных шагах экспериментальной нейтринной астрономии, которой принадлежит огромное будущее, рассказывает, хотя и очень скупо, об опытах на гигантских ускорителях, приведших к открытию мюонных нейтрино. Подробно обосновывается необходимость введения нового квантового числа (лептонного) и соответствующего закона сохранения. Как справедливо отмечает автор, проведение экспериментов с естественными нейтрино из-за малости их потока возможно лишь в глубоко расположенных подземных помещениях для защиты от фона мюонов космических лучей. Однако автор говорит не о всех таких работах. Рассказывая про работу Рейнеса по исследованию нейтрино высоких энергий, возникающих при распаде мюонов, пионов и каонов космических лучей, он ничего» не говорит об аналогичной работе индийско-японо-английской группы, проводимой на территории Индии в шахтах Колар-Голд-Филд. Эта работа, продолжающаяся и в настоящее время, была начата одновременно с работой группы Рейнеса. Интересно, что первые взаимодействия таких атмосферных нейтрино были зарегистрированы на обеих установках почти в одно и то же время, буквально чуть ли не в один день. Надо отметить, что автор допускает грубую ошибку, говоря что Рейнес сообщил о регистрации нейтрино из межпланетного пространства. Как говорилось выше, нейтрино, зарегистрированные Рейнесом, – атмосферного происхождения, и никакого отношения к межпланетному пространству не имеют. Вообще надо сказать, что и во второй половине книги имеется ряд неточностей и путаных выражений. Например, когда вводятся понятия нейтрино и антинейтрино (противоположные утверждения) или говорится о составе первичного космического излучения.

Результат огромной важности в области нейтринной астрономии был получен незадолго до выхода из печати книги А. Азимова в США. Р.Дэвис из Брукхэйвенской лаборатории на установке, расположенной глубоко под землей и содержащей в качестве нейтринной мишени 600 тонн (!) хлорсодержащей жидкости, показал, что верхний предел потока нейтрино, возникающих при распаде В ⁸в недрах Солнца (это нейтрино с наибольшей энергией, которую они могут иметь при условиях, существующих на Солнце – их энергия простирается до 14 Мэв)в 10 раз ниже теоретически ожидавшегося. Хотя после опубликования результатов Дэвиса теоретики «снизили» в 5 раз нижний предел потока этих нейтрино, тем не менее концы с концами у эксперимента и теории не сходятся. Так как не существует (пока!) никаких сомнений в том, что механизм генерации солнечной энергии ядерный, то этому расхождению особенного значения не придают. Однако, если экспериментальный предел регистрации потока солнечных нейтрино высокой энергии (т. е. энергии в несколько мегаэлектронвольт, в то время как в опытах с атмосферными нейтрино – это десятки и сотни гигаэлектронвольт) снова снизят в несколько раз, то ситуация будет близка к катастрофической, так как при любом варианте теории предел этот не может быть уменьшен более чем в 10 раз по сравнению с верхним уровнем. Р.Дэвис собирается увеличить чувствительность своей установки в несколько раз. Стоит подчеркнуть, что он извлекает единичные атомы (!) радиоактивного Аr ³⁷(продукта взаимодействия солнечных нейтрино) из объема жидкости, равного 400  м ³.По сравнению с этим задача о нахождении иголки в стоге сена представляется тривиальной.

Новые экспериментальные возможности для нейтринной физики высоких энергий открываются в связи с запуском в СССР крупнейшего в мире ускорителя протонов под Серпуховом. После того как на нем будет получен нейтринный пучок, энергия нейтрино в котором в несколько раз превысит энергии нейтрино, получаемых на ускорителях в Брукхэйвене (США) и в ЦЕРНе (Швейцария), будут, в частности, осуществлены эксперименты по поиску промежуточного W-мезона – гипотетической частицы, являющейся переносчиком слабых взаимодействий (о ней рассказывает в своей книге А. Азимов), по измерению зависимости вероятности взаимодействия нейтрино от его энергии.

Последний опыт особенно интересен с точки зрения гипотезы, выдвинутой советскими физиками член-корр. АН СССР Г. Т. Зацепиным и В. С. Березинским, о возможном происхождении гигантских атмосферных ливней космических лучей от нейтрино с энергиями, большими 10 ¹⁰миллиардов электронвольт (10 ¹⁹ эв). В.С.Березинский и Г.Т.Зацепин провели расчеты, показывающие, что нейтрино таких больших энергий могут существовать во Вселенной, и предположили, что вероятность взаимодействия этих нейтрино с веществом растет пропорционально их энергии. В настоящее время вопрос о частицах с энергией, большей 3·10 ¹⁹ эв,генерирующих самые большие атмосферные ливни, остается открытым.

Стоит также упомянуть о проекте эксперимента с использованием импульсного ядерного реактора, предложенном советскими физиками член-корр. АН СССР П.Е.Спиваком и Л.А.Микаэляном. Громадный поток нейтрино, создаваемый таким реактором в течение очень короткого времени, позволит проводить опыты по исследованию взаимодействия нейтрино при относительно меньшем уровне радиоактивного и космического фона. А как известно, именно фон ограничивает возможности нейтринных экспериментов. За счет использования импульсности поток нейтрино как бы сжимается во времени, в то время как уровень радиоактивного и космического фона в единицу времени остается практически неизменным.

Эксперименты в областях физики нейтрино и нейтринной астрофизики находятся на самом переднем крае современной науки. Не случайно им уделяется такое большое внимание в разных странах. Причем количество сооружаемых установок все время увеличивается, растут их размеры и сложность экспериментального оборудования. Еще не зарегистрированы нейтрино от Солнца, а ученые уже рассматривают возможности регистрации нейтринных потоков, возникающих при взрывах сверхновых звезд. Уникальная информация, которая может быть получена в результате проведения таких опытов, даст возможность проверить правильность теоретических представлений о строении и эволюции звезд и вообще о развитии Вселенной во времени – вопроса, которому сейчас уделяется огромное внимание.

Осуществление опытов по регистрации нейтринных потоков от взрывов сверхновых звезд упростится, если существуют переходы (осцилляции) между различными типами нейтрино. Б.М.Понтекорво выдвинул идею о возможности таких осцилляций и, проанализировав имеющиеся экспериментальные данные, пришел к выводу, что они также не противоречат гипотезе об осцилляциях. Хотя, как было правильно сказано А.Азимовым, введение мюонных и электронных нейтрино необходимо для описания и понимания результатов экспериментов, тем не менее не исключено, что уже после рождения мюонные и электронные нейтрино взаимно переходят друг в друга и обратно.

Развитие нейтринной физики идет настолько быстрыми темпами, что если бы А.Азимов написал свою книгу через год, то и сама книга и послесловие к ней наверняка существенно дополнились бы за счет новых результатов, которые несомненно будут получены теоретиками и экспериментаторами. Поэтому очень важно, чтобы широкие круги читателей, интересующихся передовой наукой, были бы в курсе ее важнейших достижений. Удовлетворению интереса таких читателей и служит книга А.Азимова, хотя и не лишенная некоторых недостатков, о которых говорилось выше, но тем не менее живо и образно повествующая о том, что было достигнуто в решении проблемы, которая охватывается словом нейтрино.