Опыты потребовавшие применения самой современной экспериментальной техники, полностью подтвердили гипотезу Ли и Янга.
- 24 -
Сохранение четности нарушалось в процессах, которыми управляло слабое
взаимодействие.
Почти сразу же выяснилось, что это открытие самым непосредственным
образом коснулось нейтрино. Оказалось, что при рассмотрении решения
уравнения Дирака для частицы с нулевой массой при условии нарушения
пространственной четности, то такая частица должна быть полностью по-
ляризована - ее спин всегда и строго направлен по (или против) импульса.
Соответствующая ей анитчастица отличается противоположным знаком
поляризации.
Если раньше уравнение Дирака для нейтрино включало четыре различ-
ных состояния, четыре компоненты (частица и античастица, и у каждой два
возможных направления спина - по и против импульса), то теперь число
состояний уменьшилось до двух. в соответствии с этим новая теория получила
название двухкомпонентной. В ее создании приняли участие физики -
теоретики из разных стран Л. Ландау (СССР), А. Салам (Пакистан), Т. Ли и
Ч. Янг (США). Поставленные опыты подтвердили, что спин антинейтрино
направлен по импульсу частицы, а нейтрино - против.
Поведение полностью поляризованной частицы напоминает движение винта или буравчика, если уподобить спин вращению рукоятки, а направление импульса - направлению закручивания винта. Так же, как у частицы, поступательное и вращательное движение винта жестко связаны. При этом аналогом антинейтрино является винт с правой резьбой, закручивающийся по часовой стрелке, а нейтрино - винт с левой резьбой.
При отражении в зеркале, нейтрино изменит знак импульса на обратный, а направление спина не измениться. В результате из левого винта мы получим правый, из частицы античастицу. Раньше это запрещал закон сохранения пространственной четности, теперь ограничение было снято.
Образовывалась явная не симметрия между "нашим" и "зеркальным" мирами.
Л.Д. Ландау предположил, что слабое взаимодействие обладает более сложным типом симметрии, чем просто зеркальное отображение. Нашему миру симметричен не просто зеркальный мир, а зеркальный антимир, в ко- тором все частицы заменены на античастицы, нейтрино - на антинейтрино. Только такие миры неразличимы.
В теории двухкомпонентного нейтрино отрицательный результат опытов
Дэвиса вытекал из поляризации. Действительно, чтобы вызвать процесс на
хлоре-37, требовалось нейтрино "левый винт", а реактор излучает
- 25 -
антинейтрино - "правый винт". И реакцию обратного [pic]- распада этим час- тицам так же невозможно вызывать, как завинтить такой винт в отверстие с левой резьбой.
Следует отметить еще, что степень поляризации легких частиц e- (e+) и [pic]([pic]) оказались тесно связанной с наличием у них массы.
Действительно, если полная поляризация нейтрино есть фундаментальное
внутреннее свойство частицы, отличающее [pic]от [pic], то такая частица
обязана (!) иметь нулевую массу и двигаться со скоростью V> V[pic] ( но в
тоже время V < c ), и в этой системе нейтрино полетит в обратную сторону,
а направление спина частицы не изменится. Это будет означать, что
внутреннее свойство частицы зависит от системы отсчета, чего быть не
должно. Поэтому скорость нейтрино V[pic] должна быть точно равна скорости
света с и масса его m[pic] равна нулю.
Насколько точно можно считать нейтрино полностью поляризованной частицей, насколько строго подтверждаются двухкомпонентная теория?
Результаты прямых опытов (М. Гольдгабер и др., 1958 г.) давали
возможность отклонения поляризации от полной вплоть до 20%. На осно- вании
более поздних экспериментов можно было считать, что этот диапазон не более
10% Что касается опытов Дэвиса, то, как мы видели, они допускали 10%
отклонения. Это в том случае, если отличие нейтрино от антинейтрино
объяснялось бы только поляризацией частиц.
Вместе с тем красота двухкомпонентной теории оказывала сильнейшее влияние на общественно физическое мнение. И действительно, с 1957 до 1980 г. не было ни одного опытного факта, который противоречил бы полной поляризации нейтрино.
В институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) в
Москве группа ученых В.А. Любимов, В.З. Нозик, Е.Ф. Третьяков и В.С.
Козик в 1980 г. завершила чрезвычайно трудный пятилетний цикл исследований и пришла к выводу, что масса электронного антинейтрино не равна 0, а
лежит в пределах от 14 до 46 эВ.
Обнаруженная масса [pic]е приблизительно в 20 000 раз меньше, чем
масса электрона, и на процессы [pic]- распада, где выделяется энергия ~
106 эВ, практически влияния не оказывает.
Если результаты эксперимента ИТЭФ правильны, то весьма вероятно, что и [pic][pic], о которых речь пойдет ниже, также имеют массы и,
- 26 -
возможно, существенно большие. Современные оценки m[pic] < 0,65МэВ, m[pic]< 250 МэВ.
Теория двухкомпонентного нейтрино, в котором масса нейтрино должна быть тождественно равной 0, нарушиться, и поляризация будет неполной, хотя отклонение будет весьма мало. Кроме того, из этого вытекает множество других следствий, например связь между массой нейтрино и плотностью вещества во вселенной.
- 27 -
4. ТИПЫ НЕЙТРИНО.
Число реакций, идущих с участием нейтрино, значительно расширилось после того, как началось изучение распадов космических частиц и частиц, рождающихся в опытах на ускорителях высоких энергий.
Рис. 3. Следы процесса [pic]+ [pic] [pic]+ [pic] e+ в фотоэмульсии.
Обратимся для примера к рис.3, где приведена микрофотография рас- пада [pic]+ [pic] [pic]+ [pic] e+, зарегистрированного в специальной эмульсии.
В точке 1, [pic]+-мезон останавливается и распадается. Отрезок
между точками 1 и 2 - это след родившегося мюона. Длина его следа на
фотографиях всегда одинакова, из чего можно сделать вывод, что энергия
мюонов, образующихся при распадах [pic]- мезонов, постоянна. Закон
сохранения импульса требует, чтобы в сторону, противоположную движению,
[pic] вылетало "что-то", что компенсирует его импульс а постоянство
энергии мюонов и отсутствие следов в эмульсии говорят, что это всего
одна нейтральная частица.
Поскольку спин [pic]+- мезона равен нулю, мюона - [pic]/2, то согласно закону сохранения момента импульса спин вылетающей частицы должен быть полуцелым. Дальнейшие исследования показали, что распад [pic]+ - мезонов выглядит так: [pic][pic] [pic] [pic] + [pic]([pic]).
- 28 -
Теперь обратимся к точке 2. Здесь мюон останавливается и
распадается. При этом вылетает позитрон, который может иметь разную
энергию - от фотографии к фотографии длина его следа меняется. Из этого
следует вывод о присутствии в распаде нескольких нейтральных частиц.
Окончательно- [pic] [pic] е[pic] + [pic] + [pic].
Можно привести примеры и других распадов, идущих с участием нейт- рино: К[pic] [pic] [pic] + [pic]([pic]), K0 [pic] [pic]- + е+ + [pic] и т. п.
Вместе с тем было обращено внимание на то, что часть процессов, ко- торые, казалось бы, не нарушали никаких законов сохранения, не наблю- дались. Так, для [pic] - мезона энергетически возможно несколько схем распада:
[pic]+ [pic] е+ + [pic] +
[pic] , (7)
[pic]+ [pic] е+
+[pic], (8)
[pic]+ [pic] е+ + е+ + е-
(9)
Осуществлялась же только одна - первая. Теория не находила удав-
летворительного объяснения этому факту. Ведь процесс (8) можно предс-
тавить себе как некое продолжение процесса (7). При этом [pic] и [pic]
исчезают - аннигилирую в момент своего рождения, как частица и античастица,
а вылетающий позитрон излучает [pic]- квант. Расчетная вероятность W-
распада [pic]+ [pic] е+ + [pic] по отношению к распаду [pic]+[pic] е+ +
[pic] + [pic] составляет 10-3 - 10-4, но запретов на его существование
нет.
Тем не менее, поиски процесса (8) не привели к положительным ре-
зультатам. Со временем ограничение на вероятность все уменьшались:
меньше 10-4, меньше 10-5, 10-7, 10-10 (1979 г.). Природа препятствовала
мюонну распадаться на электрон и [pic]- квант, запрещала аннигилировать
[pic] и [pic]. Попытки объяснить запрет реакций (8) и (9) привели к
идее о существовании двух типов нейтрино. Одно сопутствует электрону -
электронное нейтрино [pic]е, другое - мюону, мюонное нейтрино [pic][pic]. В распаде нейтрона и [pic]-мезона возникают разные нейтрино n [pic] p + e- +[pic]е[pic],
- 29 -
[pic]- [pic] [pic]- + [pic][pic],
а реакцию распада[pic]-мезона следует писать в виде:
[pic]+ [pic] е+ +
[pic][pic] + [pic]е .
Гипотеза должна была быть проверена экспериментом.
Опыт по изучению различия (или единства) [pic][pic] и [pic]е был
первым нейтринным экспериментом поставленным на ускорителях высоких
энергий. Осуществить его предлагали несколько ученых - Б.М. Понтекорво,
М.А. Марков, М. Шварц. Выполнен этот эксперимент был впервые на Брукхей- венском ускорителе (США) и через год в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных
исследований).
Идея опыта заключалась в следующем. Пучок протонов, разогнанных в ускорителе, в определенный момент отклонялся мощным импульсом магнит- ного поля. Он выходил из камеры ускорителя и попадал на мишень, в ко- торой при взаимодействии протонов с веществом рождались быстрые [pic] - и К - мезоны. Вылетев из мишени и распадаясь на лету в специальном про- летном туннеле, мезоны излучали нейтрино и мюоны высоких энергий. Дальше пучок попадал в слой стали общей толщиной около 13 м, где практически поглощались все сильно взаимодействующие частицы ([pic]-, К-, [pic]-мезоны и т.п.).
Мезоны, остановившиеся в защите, тоже излучали при распаде нейтрино. Среди них и электронные, например при распаде мюонов. Но эти нейтроны обладали существенно меньшей энергией, чем родившиеся на лету, и не играли роли для проводившегося эксперимента. Если существуют два сорта нейтрино, [pic][pic] и [pic]е , то ускоритель - практический чистый источник [pic][pic].
Пучок нейтрино попадал в детектор, где во взаимодействиях с
веществом могли рождаться электроны и мюоны. Если электронные и мюоные нейтрино неразличимы, то число зарегистрированных электронов и мюонов
должно было быть одинаковым. Но в опытах регистрировались практически одни
мюоны, и это служило прямым доказательством различия [pic][pic] и
[pic]е. Чуть позже эксперименты, поставленные на ускорителях, позволили
доказать
- 30 -
различие и нейтрино, сопровождающих [pic]+ и [pic]- -мезоны, то есть различие мюонных антинейтрино и нейтрино.
В 1975 году в связи с открытием третьего заряженного лептона -
[pic]-лептона было введено еще одно нейтрино [pic]-нейтрино. Рождается
[pic]-нейтрино в распадах [pic]- лептона:
[pic]-[pic] [pic][pic] + [pic]- ,
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
