Книга Атомный проект. Жизнь за «железным занавесом» - Бруно Понтекорво

Если рассматривать частицы очень высокой энергии, то соударения, обусловленные сильными взаимодействиями, характеризуются длиной свободного пробега частиц, соответствующей по порядку величины десяткам сантиметров в меди или железе.

Иначе обстоит дело при слабых взаимодействиях. Как мы уже сказали, длина свободного пробега нейтрино в плотном веществе измеряется в астрономических единицах. Это указывает на удивительно малую интенсивность слабых взаимодействий.

Любой процесс взаимодействия элементарных частиц характеризуется некоторым временем, определяющим его среднюю продолжительность. Процессы, вызванные слабыми взаимодействиями, часто называют «медленными», так как время для них относительно велико.

Читатель, правда, может удивиться тому, что явление, происходящее, скажем, за 10−6 (одну миллионную долю) секунды, классифицируется как медленное. Такое время жизни характерно, например, для распада мюона, вызванного слабыми взаимодействиями. Но все познается в сравнении. В мире элементарных частиц такой промежуток времени действительно весьма продолжителен. Естественной единицей длины в микромире служит 10−13 сантиметра — радиус действия ядерных сил. А так как элементарные частицы высокой энергии имеют скорость, близкую к скорости света (порядка 1010 сантиметров в секунду), то «нормальный» масштаб времени для них составит 10−23 секунды.

Это значит, что время 10-6 секунды для «граждан» микромира гораздо более продолжительно, чем для нас с вами весь период существования жизни на Земле.

Действительно ли нейтрино нейтрально?

Урановые реакторы помогли выяснить еще одну важную характеристику нейтрино, а именно — существование у него «нейтринного» заряда. Но разве нейтральная частица может обладать зарядом?

Известно, что в природе имеется очень красивая симметрия, которая в последние несколько лет была окончательно подтверждена рядом фундаментальных опытов. Симметрия эта состоит в том, что каждой частице соответствует двойник — античастица, имеющая массу, одинаковую с частицей, а все «заряды» противоположного знака.

«Заряд» — это любая внутренняя характеристика частицы, которой приписывается знак: или положительный, или нейтральный, или отрицательный. Любому виду заряда обязательно свойственны неуничтожаемость и дискретность (т. е. они могут принимать только вполне определенные и выделенные значения).

Ясно, что электрически заряженная частица, скажем, отрицательный электрон, будет отличаться от своей античастицы — положительного электрона. Но и электрически нейтральная частица, т. е. частица, не имеющая электрического заряда, может отличаться от своей античастицы. Конечно, если все заряды данной частицы равны нулю, то она тождественна со своей античастицей; она в этом случае истинно нейтральна.

А как обстоят дела с нейтрино? Мы уже знаем, что оно электрически нейтрально. Но является ли нейтрино истинно нейтральным? Отличается ли нейтрино от антинейтрино? И вот опыты с реактором дали следующий ответ: да, нейтрино и антинейтрино — разные частицы. Нейтрино не истинно нейтрально; оно имеет неэлектрический заряд — так называемый нейтринный заряд.

Но прежде чем рассказать о том, как это было показано, мне предстоит еще выполнить свое обещание и раскрыть смысл значка «~» над символом нейтрино ν.

Как мы уже говорили, ṽ означает антинейтрино. Так назвали «неуловимую» частицу, которая возникает при распаде нейтрона.

Почему же антинейтрино, а не нейтрино? Это название выбрано совершенно произвольно и только ради удобства. Такие условности в физике встречаются нередко. Например, ничего не изменилось бы, если бы в один прекрасный день мы решили считать электрический заряд электрона положительным. Конечно, автоматически заряд у антиэлектрона стал бы отрицательным.

Итак, мы называем антинейтрино ту частицу, которая испускается при бета- распаде совместно с отрицательным электроном (когда нейтрон превращается в протон). Но физики давно знают и другой процесс, именуемый бета-плюс-распадом, когда протон внутри атомного ядра самопроизвольно превращается в нейтрон, позитрон и «неуловимую частицу». И только эту частицу мы должны назвать нейтрино.

Однако пока совершенно не ясно, отражают ли эти два названия реальную суть вещей или различие между ними чисто формальное. Иначе говоря, нам надо выяснить, отличаются ли по каким-то характеристикам нейтрино от антинейтрино.

Мы видели, что антинейтрино с протоном может дать позитрон и нейтрон. Аналогично этому столкновение нейтрино с нейтроном может дать электрон и протон (ибо последняя реакция вызвана тем же самым взаимодействием, что и предыдущая).

Но другое дело, если мы рассмотрим реакции

ν + р → n + е+, ṽ + n → р + е−

Обе эти реакции получены из двух предыдущих путем замены нейтрино на антинейтрино и наоборот. Если различие между нейтрино и антинейтрино чисто формальное, если оно существует лишь в записи, то, конечно, возможны обе реакции. Если же это различие реальное, т. е. отражает различие внутренних свойств этих частиц, то эти реакции невозможны.

Итак, для проверки вопроса о различии нейтрино и антинейтрино можно использовать одну из последних реакций. Поскольку мы не имеем интенсивных источников нейтрино, но у нас есть зато источники антинейтрино — урановые реакторы, то удобно исследовать вторую из приведенных выше реакций. Правда, вещества, состоящего из одних только нейтронов, не существует. Но это не принципиальный вопрос. Можно изучить реакцию на нейтронах, находящихся внутри атомного ядра. Особенно удобным оказалось ядро хлора-37. Этот крайне трудный опыт был закончен недавно. Было найдено, что процесс не осуществляется. Значит, и в самом деле нейтрино и антинейтрино — разные частицы, имеющие противоположные знаки некоего неэлектрического, нейтринного заряда.

Какова природа этого заряда?

С тех пор как была выдвинута гипотеза о нейтрино, не было сомнения в том, что нейтрино должны иметь «спин», т. е. являются вращающимися объектами (в квантово-механическом смысле). Можно было ожидать, что в составе пучка нейтрино половина частиц имеет правое вращение по отношению к направлению движения, а другая половина — левое. Это следовало из физического закона, который до 1957 г. считался неоспоримым, — «закона сохранения четности». В соответствии с ним во всех физических явлениях должна иметь место строгая право-левая («зеркальная») симметрия, так что в природе не должны происходить явления, в которых правое преобладает над левым и наоборот.

В нашем случае закон сохранения четности запрещает испускание, как говорят физики, «продольно поляризованных» нейтрино, т. е. нейтрино, имеющих, скажем, преимущественно левое вращение по отношению к направлению движения.

Кроме того, до 1957 г. думали, что имеет место и другая симметрия — зарядовая, благодаря которой любое физическое явление остается «инвариантным» (т. е. описывается одним и тем же математическим законом), если каждую частицу заменить ее античастицей. Такая симметрия не позволяет нейтрино иметь только левое вращение, а антинейтрино — только правое.