а также в распадах мезонов, более тяжелых, чем [pic]-лептон.
Нейтрино во всех взаимодействиях с другими частицами в свою очередь рождают заряженные лептоны только своего типа; с хорошей точностью это проверено для мюонных нейтрино, наблюдаются процессы типа:
[pic][pic] + n [pic] [pic]- + p,
[pic][pic] + p [pic] [pic]+ + n
(Брукхейвен, 1962; ЦЕРН, 1964).
Все семейство нейтрино состоящее из электронного, мюонного, таонного нейтрино и соответствующих антинейтрино относится к классу лептонов.
Класс лептонов (от греческого "мелкий, легкий") включает также электрон,
позитрон и мюоны обоих знаков. Заряженные лептоны участвуют в
электромагнитном и слабом взаимодействиях, нейтрино - только в слабом.
Для частиц, входящих в класс лептонов, введено правило, получившее название закона сохранения лептонного заряда (основополагающие работы принадлежат Я.Б. Зельдовичу, Е. Конопинскому и Х. Махмуду). Различие между тремя типами нейтрино описывается тремя сохраняющимися (или приближенно сохраняющимся) лептонными зарядами: электронным le, мюон- ным l[pic] и таонным l[pic].
- 31 -
[pic]е [pic]e е- e+ [pic][pic]
[pic][pic] [pic]+ [pic]- [pic][pic] [pic][pic][pic][pic]
[pic]- [pic]+ le, 1 -1 1 -1 0 0 0
0 0 0 0 0
l[pic] 0 0 0 0 1 -1 1
-1 0 0 0 0
l[pic] 0 0 0 0 0 0
0 0 1 -1 1 -1
Для фотонов и адронов значения всех лептонных зарядов равны
0.Считается, что во всех процессах сохраняется неизменной сумма
лептонных зарядов. Например:
n [pic] p + e- +[pic]е[pic], (le, = 0 - 0 + 1 - 1).
Процессы распада мюона на позитрон и [pic]- квант (8) или на электрон и два позитрона (9) запрещены новым законом. В этом смысле он подобен закону сохранения электрического заряда. Однако между двумя зарядами, электрическим и лептонным есть существенное отличие: первый определяет степень участия частицы в электромагнитных процессах, второй с взаимодействием лептонов непосредственно не связан.
Внутри одной группы частиц разные лептонные заряды соответствуют дираковскому подходу - частица и анитичастича отличаются знаком лептонного заряда, и в реакциях их нельзя заменять одну другой. Введение лептонных зарядов запрещает например, замену [pic]е на [pic][pic], т.е. переходы между двумя группами лептонов. Однако существуют теоретические обоснования для гипотезы о том, что закон сохранения лептонного заряда является приближенным и, в частности, возможны взаимные переходы различных типов нейтрино друг в друга - нейтринных осцилляций.
Впервые об осцилляциях говорилось в работах Б.М. Понтекорво в 1957
- 1958 гг., но идея была встречена без особого энтузиазма. Со временем
положение изменилось с открытием массы нейтрино и парадоксом солнечных
нейтрино, который будет рассмотрен ниже. Различные эксперименты,
проведенные для подтверждения или опровержения этого факта, дают пока
противоречивые результаты, от существования осцилляций (группа физиков
работавших во Франции, в Буже), до их отсутствия (группа Р. Мессбауэра).
Ответ на этот вопрос - дело ближайшего будущего.
В заключение важно отметить, что вопрос о числе типов нейтрино остается открытым. Возможно, будут открыты еще и другие типы нейтрино.
- 32 -
Как уже отмечалось, нейтрино участвует только в электрослабом
взаи-действии. В 1979 г. три физика-теоретика С. Вайнберг, А. Салам и
Ш.Л. Глэшоу - были удостоены Нобелевской премии за создание единой
теории электромагнитных и слабых взаимодействий.
- 33 -
5. ДВОЙНОЙ [pic] - РАСПАД.
Еще одним интереснейшим процессом, связанным с нейтрино, является двойной [pic] - распад. Существование двойного [pic] - распада
было предсказано чуть позже (1935 г.), чем существование нейтрино.
Интерес к нему то почти совсем затухал, то вспыхивал с новой силой.
Сейчас мы проходим через очередной максимум. Около десяти групп в
различных странах мира заняты поисками двойного [pic] - распада.
При обычном [pic] - распаде в ядре A (Z,N) один нейтрон превращается в протон, ядро переходит в A (Z+1, N-1), испуская электрон и антинейтрино.
В достаточно редких
случаях оказывается энергетически выгоден двойной [pic] - распад. При
нем переход выглядит следующим образом: A (Z,N) [pic] A (Z+2, N-
2). Он происходит непосредственно между этими ядрами, если энергия
промежуточного ядра А (Z+1, N-1) выше, чем у A (Z, N) (рис 4).
Рис. 4. Энергетические уровни трех ядер. Ядро Z, N способно испытывать двойной [pic]- распад.
Из ядра, вылетают сразу два электрона. Встает вопрос: вылетают ли при этом антинейтрино.
Действительно, превращение двух нейтронов в два протона может про- исходить независимо:
- 34 -
n [pic] p + e- + [pic]e
n [pic] p + е- + [pic]e двухнейтринный
двойной [pic] - распад
2n [pic]2p + 2e- +2[pic]e
А (Z,N) [pic] A (Z+2, N-2) + 2e- + 2[pic]e
Если же предположить, что [pic]e тождественно [pic]е , то этот процесс может идти независимо. Нейтрино, испускаемое при распаде одного нейтрона, индуцирует распад второго:
n [pic] p + e- + [pic]e
n + [pic]е [pic] p + е-
Безнейтринный двойной
[pic]- распад
2n [pic] 2p + 2e-
A (Z, N) [pic] A (Z+2, N-2) + 2e-
Очевидно, что в безнейтринном двойном [pic] - распаде нарушается закон охранения лептонного заряда, и он может происходить только при неполной поляризации нейтрино. А неполная поляризация связана с конечной массой. Обнаружение этого процесса принесло бы очень интересные результаты, поэтому так много сил было затрачено на его поиски.
Сопоставляя между собой реакции, можно увидеть, как в экспериментах
отличить двухнейтринный [pic]- распад от безнейтринного. В последнем
случае суммарная энергия электронов будет всегда постоянной - она
определяется только разностью энергий основных состояний ядер A (Z,N) и A
(Z+2, N-2). А в первом случае электроны обладают непрерывным спектром
энергий, поскольку излучаются еще и два антинейтрино.
Если лептонный заряд сохраняется, то безнейтринный распад запрещен, а вот если [pic]е и [pic]e тождественны, то теория предсказывает, что этот тип распада должен происходить с существенно большей вероятностью, чем двухнейтринный.
Опыты Дэвиса и другие эксперименты говорят о том, что сильного нарушения закона сохранения лептонного заряда и значительной деполяризации нейтрино ожидать нельзя. Можно надеяться обнаружить
- 35 -
только слабый эффект. Соответственно этому безнейтринный двойной[pic]
-распад сильно заторможен по сравнению со случаем тождества электронных
нейтрино и антинейтрино, и вероятность его может стать равной или меньшей,
чем вероятность двухнейтринного процесса (который идет всегда, когда это
энергетически возможно).
Сейчас экспериментаторы пытаются обнаружить безнейтринный процесс, идущий со временем жизни 1021 - 1022 лет. (В области Т1/2< 1021 лет его уже не обнаружили.) А это значит, что в 1 грамме исходного вещества может происходить 1 распад за несколько лет. Как зарегистрировать такие активности?
Есть два способа, принципиально отличающиеся друг от друга. Пер-
вый, косвенный, носит название геологического. В нем исходным матери- алом
является минерал, содержащий изотоп, способный претерпевать 2[pic]-
распад (Z,N). Физикам необходимо обнаружить в этом минерале атомы продукта
распада (Z+2, N-2), накопившиеся там за миллиарды лет. Чтобы это сделать,
надо, чтобы дочернее вещество возможно легче отделялось от материнского.
Такому требованию удовлетворяют инертные газы, поэтому в геологических
экспериментах исследовались переходы 128Te [pic] 128Xe, 130Te [pic]
130Xe, 82Se [pic] 82Kr.
Расскажем об одном из опытов, которые провела группа Т. Кирстена
(США). Они взяли образцы теллуровой руды из глубинной шахты в Колорадо,
чтобы иметь дело с веществом, подвергшимся как можно меньшему
воздействию космических лучей. Затем несколькими методами определило и
возраст образца.
Он оказался равным около 1,3 млрд. лет. Следующий шаг - измельчение
образца, выделение из него газов и исследование их на масс
спектрографе. При определении изотопного состава Xe выяснилось, что
содержание изотопа 130Xe в десятки раз превышает обычное его содержание для атмосферного ксенона. Авторы рассмотрели все возможные процессы и
реакции, которые могли бы привести к аномальному повышению концентрации
130Xe, и пришли к выводу, что, единственным разумным объяснением его
избытка, остается 2[pic]-распад. Проанализировав возможные потери газа
за период существования образца, они определили период полураспада
теллура-130: Т1/2 130Te = (2,60[pic]0,28)*1021 лет. Другие
исследовательские группы дали близкие цифры.
Существование двойного [pic]- распада было подтверждено, но какого именно - двухнейтринного или очень подавленного безнейтринного, - этого
- 36 -
опыты пока показать не могли. Вопрос о механизме распада в геологических экспериментах остается открытым.
Ответ на него мог быть получен только в прямых экспериментах (второй
способ), в которых наблюдались продукты распада. Как уже отмечалось, если
бы сумма энергий двух зарегистрированных электронов была постоянной и
равной энергии, выделяемой при распаде, это указывало бы на существование
безнейтринного процесса и нарушение закона сохранения лептонного заряда.
Прямые опыты проводились с самыми различными типами детекторов: камерой
Вильсона, фотоэмульсиями, искровой камерой, сцинтилляционными и
полупроводниковыми счетчиками.
Наиболее интересными являются работы миланской группы (группы
Фиорини), в Международной лаборатории космических лучей, проведенные с
использованием полупроводникового счетчика для исследования перехода 76Ge
[pic] 76Se. (Рис. 5).
Основной частью полупроводникового счетчика является p - n переход.
Свободных электронов здесь мало и в отсутствие ионизирующего излучения
течет только малый тепловой ток. Тем меньший, чем больше сопротивление
полупроводника, которое зависит от чистоты материала и от температуры
кристалла. При прохождении заряженной частицы, она ионизирует атомы и в p -
n - переходе появляются свободные заряды. Поле "растягивает" их в
разные стороны, и возникающий при этом электрический сигнал может быть
зарегистрирован. Самым привлекательным свойством полупроводниковых
счетчиков является возможность очень точно определять энергию, потерянную
частицей в области p - n перехода, т.е. хорошее энергетическое разрешение.
Основной недостаток таких детекторов - малое количество вещества в
чувствительном объеме.
Рис.5. Схема установки используемой лионской группой.
- 37 -
Под высочайшим из альпийских пиков - Монбланом - проложен туннель длиной почти двенадцать километров, соединяющий Италию и Францию. На расстоянии четырех километром от итальянского выхода из туннеля рас- положена Лаборатория космических лучей. Сверху ее защищает около двух километров горных пород или около 4000 метров водного эквивалента.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
