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

Однако в 1957 г. китайские физики, работающие в США, — Ли Дзундао и Янг Чженьнин — выдвинули гипотезу, что при слабых взаимодействиях эти два закона симметрии не имеют места. В многочисленных экспериментах обнаружились явления, в которых эти законы явно нарушаются, но обязательно оба сразу.

Советский физик, лауреат Ленинской и Нобелевской премий Лев Давидович Ландау показал, что в природе существует более глубокая симметрия, которую он назвал комбинированной инверсией. Предложенный им новый закон утверждает, что любое явление остается инвариантным, если одновременно «правое заменить на левое», а каждую частицу заменить ее античастицей.

С точки зрения нового закона нейтринный пучок «имеет право» быть полностью поляризованным. Кроме того, если нейтрино вращается справа налево, то антинейтрино должно вращаться слева направо по отношению к направлению своего движения. Такая возможность и предусматривается теорией «продольного нейтрино» А. Салама, Л. Ландау, Ли и Янга, согласно которой эти частицы должны быть полностью поляризованы. Вместе с тем, по этой теории, нейтрино обязаны иметь массу, строго равную нулю, а значит, в соответствии с теорией относительности, скорость их всегда равна скорости света.

Все эти предсказания теории ныне подтверждаются в опытах. Доказано, что нейтрино вращается справа налево (если смотреть по ходу его движения). Известно, что степень поляризации нейтрино и антинейтрино очень высока. Правда, не доказано еще экспериментально, полностью ли поляризованы неуловимые частицы, как этого требует теория продольного нейтрино, и точно ли равна нулю их масса.

IV Международная школа по нейтронной физике, июнь 1982 г. Б. Понтекорво и профессор С. Раман (США)

Таким образом, мы может заключить, что нейтрино и антинейтрино отличаются друг от друга тем, что имеют разное направление «спиральности», причем нейтрино напоминает винт с левой резьбой, а антинейтрино — с правой. Но здесь возникает естественный вопрос: сведется ли к этому сущность нейтринного заряда? Иными словами, является ли разное направление «спиральности» нейтрино и антинейтрино единственным различием между этими частицами?

Всего несколько месяцев назад большинство физиков, я думаю, дали бы положительный ответ на этот вопрос. Однако недавно законченный важный опыт, о котором речь будет идти ниже, показывает, что вопрос о природе нейтринного заряда не такой простой.

Нейтрино высоких энергий

То, о чем говорилось до сих пор, — это прошлое физики нейтрино. Сейчас я расскажу о задачах физики нейтрино, которые еще не решены или решаются в настоящее время.

Исследования нейтрино бурно развиваются, особенно в связи с созданием советскими и зарубежными физиками новой области физики элементарных частиц — физики нейтрино высоких энергий.

Нейтрино, испускаемые радиоактивными ядрами урановых реакторов, имеют энергию, по порядку величины равную характерной ядерной энергии, т. е. несколько миллионов электронвольт. Эта энергия в миллион раз превышает энергию электронов в атоме, но сегодня, когда имеются машины, ускоряющие частицы до десятков миллиардов электронвольт, реакторы рассматриваются как источники нейтрино низкой энергии.

Для физики нейтрино высоких энергий характерно то, что в этой области науки исследуются главным образом нейтрино «пионной природы», т. е. нейтрино, рождающиеся при распаде пиона.

Как можно получить пучок нейтрино пионной природы?

Представьте себе современный ускоритель, дающий протоны с энергией в десятки миллиардов электронвольт (такой, как дубненский синхрофазотрон Объединенного института ядерных исследований или американский брукхейвенский ускоритель). Когда протоны попадают на мишень (скажем, алюминиевую пластинку толщиной в несколько сантиметров), рождаются пионы. Эти пионы распадаются на лету (средний путь их до распада в вакууме измеряется десятками метров). При этом образуется нейтрино согласно схеме

π → μ + ν

И вот именно пучки нейтрино пионной природы используются в настоящее время в крупнейших лабораториях мира. Масштаб опытов потрясающ. Для их выполнения необходимы ускорители с магнитами, вес которых превышает десятки тысяч тонн, а сам детектор нейтрино весит десятки тонн.

Каковы главные проблемы физики нейтрино высоких энергий? Современная количественная теория слабых взаимодействий, созданная недавно Ричардом П. Фейнманом и Мюрреем Гелл-Манном на основе идей Ферми, Ли и Янга, Ландау и Салама, универсальна. Это означает, что поведение всех других частиц при слабых взаимодействиях по существу одинаково с поведением нейтрино.

Согласно теории Фейнмана и Гелл-Манна, физические процессы, связанные со слабым взаимодействием, в области малой энергии можно рассчитать довольно хорошо. Но при больших энергиях появляются фундаментальные трудности. Сама теория предсказывает, что слабость взаимодействия нейтрино относительно уменьшается, когда энергия нейтрино увеличивается.

Если это увеличение интенсивности взаимодействия нейтрино с возрастанием энергии продолжается, то при фантастически высокой энергии в 300 миллиардов электронвольт мы столкнулись бы с абсурдным результатом: вероятность некоторых событий превышала бы единицу, а мы знаем, что вероятность по ее природе всегда менее единицы или равна ей. Это означает, что при энергии меньше 300 миллиардов электронвольт увеличение интенсивности взаимодействия должно прекратиться.

Но сразу возникают следующие вопросы. Будет ли увеличение интенсивности взаимодействия прекращаться вблизи 300 миллиардов электронвольт или при очень существенно меньшей энергии? Этот вопрос можно поставить и по-другому: станет ли слабое взаимодействие сильным при очень высокой энергии или нет?

Второй вопрос: какой механизм отвечает за прекращение роста интенсивности взаимодействия?

Определенных ответов на эти вопросы физики пока не могут дать. Самый простой теоретический ответ (правда, не обязательно правильный) состоит в предположении, что слабые взаимодействия четырех частиц (например, нейтрона, протона, электрона и нейтрино при бета-распаде) имеют, так сказать, вторичный характер: они как будто обусловлены гипотетической частицей В (физики называют ее «промежуточным бозоном», а почему, я не стану объяснять), которая является носителем слабых взаимодействий.

Приводимые здесь схемы представляют соответственно бета-распад нейтрона при двух предположениях:

а) без промежуточного бозона, т. е. когда процесс взаимодействия четырех частиц — первичный (или, как говорят, локальный);

б) когда взаимодействие четырех частиц вторично и осуществляется промежуточным бозоном.

Оказывается, что во втором случае увеличение интенсивности взаимодействия с ростом энергии частиц естественным образом прекращается при относительно небольшой энергии.