1. Распад элементарных частиц и нейтрино

Заповедник фантастов

Есть немало научно-фантастических книг, авторы которых наделяют своих героев умением "выключать" различные силы. В таких книгах фигурируют "гравитационные экраны", через которые не чувствуется тяготение, лучи, разрывающие химические связи, аппараты, уничтожающие трение, и т. д.

Но, пожалуй, никто еще не попытался представить себе, каким был бы мир без слабых взаимодействий.

А здесь есть где разыграться фантазии.

Слабые взаимодействия недаром называются еще и "распадными". Распад почти всех неустойчивых частиц (мы о нем уже упоминали, когда обсуждали взаимные превращения частиц друг в друга) связан именно с ними.

Значит, если бы по мановению какой-то волшебной палочки эти взаимодействия могли исчезнуть, сразу прекратились бы очень многие из известных нам типов превращений частиц. И нейтроны, и многие мезоны, и гипероны сделались бы устойчивыми и могли бы существовать как угодно долго.

Заповедник

К каким бы только чудесам это ни привело! Вот, например, периодическая система элементов. В ней сегодня, сто пять клеточек - сто пять химических элементов зарегистрировано учеными.

А почему не больше? Существуют ли элементы с номерами 2000, 10 000 и т. д.?

Таких элементов нет, и более того, мы уверены, что они никогда не появятся в клетках менделеевской таблицы.

Причина этого, надо полагать, понятна всякому, кто внимательно читал предыдущую главу этой книги.

Ведь номер элемента совпадает с количеством протонов в его ядре. Чем больше это количество, тем больше стремящиеся разорвать ядро кулоновские силы. Компенсировать их способна только очень значительная нейтронная прослойка, ничего не прибавляющая к силам отталкивания, но цементирующая ядро силами мезонного притяжения.

Казалось бы, разбавив протоны достаточным количеством нейтронов, можно побороть кулонов- скую неустойчивость в любом из ядер. Но здесь приходится вспомнить о нестабильности нейтронов... Как только их становится слишком много, появляется вероятность β-распада, которая становится тем больше, чем значительнее относительная доля нейтронов в ядре.

Итак, сверхтяжелые ядра не могут быть устойчивыми. Это хорошо известное обстоятельство приводит, в частности, к тому, что самые тяжелые элементы приходится, собственно, не открывать, а изготовлять. В готовом виде ни в недрах земли, ни в атмосфере, ни в глубинах океана таких элементов не найдешь. Для этого они слишком недолговечны. Ученым приходится применять обстрел быстрыми частицами, следить за цепью сложных ядерных превращений, прежде чем чувствительнейшие приборы успеют в какое-то короткое мгновение зарегистрировать новый элемент, образующийся в невообразимо малых количествах, порой исчисляемых отдельными атомами.

Ну, а если бы распада нейтронов не было, если бы эти частицы, повинуясь нашей волшебной палочке, стали устойчивыми? Ведь тогда ничто не мешало бы наращивать их число. Менделеевская таблица значительно пополнилась бы. Правда, не до бесконечности, как кажется на первый взгляд. Вспомним о насыщении ядерных сил. Ядра-гиганты были бы очень непрочными и легко рассыпались бы на части. Но в какой-то степени можно "защищаться" от деления, приняв специальные меры против появления толчков и встрясок. Возможно, читателю после всего сказанного представится такая картина: на двери лаборатории надпись: "Внимание, слабые взаимодействия выключены". На лабораторном столе под непрозрачным колпаком (чтобы исключить "встряску" светом) аморфное тело величиной с яблоко, плавающее в жидком гелии (ведь температуру тоже нужно сделать как можно ниже, чтобы предельно ослабить тепловые толчки). Впрочем, о плавании говорить не приходится: тело невообразимо тяжело, оно весит почти миллион тонн - и не разваливается на части под действием собственного веса, по-видимому, исключительно из гуманных соображений. Ведь стоит появиться в "яблочке" трещине в миллиардную долю миллиметра толщиной, как ядерные (короткодействующие!) связи окажутся разорванными, и чудовищные силы электростатического отталкивания разбросают осколки с бешеной скоростью.

На колпаке чинная надпись: "Элемент № 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000" и нечто относительно страхования жизни.

Конечно, такая картина даже в фантастическом мире без слабых взаимодействий является фантастической.

Нужно принять во внимание множество "забытых" нами обстоятельств. Все же, если бы не было слабых взаимодействий, если бы нейтрон был стабильной частицей, таблица элементов продолжалась бы на десятки, если не сотни номеров.

Но еще более поразительные изменения произошли бы с таблицей изотопов.

В главе о ядерных силах говорилось, что изотопы при одинаковом числе протонов различаются количеством нейтронов в ядре. Изотоп может быть устойчивым лишь в том случае, когда соотношение между числом протонов и нейтронов остается в пределах стабильной нормы. Как только нейтронов становится больше, чем разрешается по этой норме, начинается β-распад. Если бы не слабые взаимодействия, то β-распада нечего было бы опасаться и возможности пополнения нейтронов в ядре колоссально увеличились бы. У водорода тогда стало бы не четыре изотопа (из которых только обычный водород и дейтерий стабильны), а практически бесконечное множество. Правда, где-то в районе тысячного изотопа появилась бы новая причина неустойчивости, связанная с тем, что атомный электрон начал бы задевать гигантское ядро, вокруг которого он вращается. Начала бы сказываться, кроме того, тепловая неустойчивость, о которой уже говорилось, и т. д.

Но это уже, так сказать, привходящие по отношению к внутриядерной ситуации обстоятельства.

В том удивительном мире, куда привела нас фантазия, могло бы существовать и быть устойчивым еще одно экзотическое ядро. Ему пришлось бы отвести нулевую (перед водородом) клетку в менделеевской таблице. Это ядро - вообще без протонов. Действительно, если бы нейтроны не распадались, то один, два, сотня, миллиард нейтронов могли бы существовать как стабильные системы. Их можно было бы рассматривать как ядра - изотопы того фантастического элемента, у которого, собственно, нет атомов в обычном смысле этого слова. Ведь электроны нейтронами не притягиваются. Атомы без электронов, без химических свойств - согласитесь, это действительно нечто диковинное!

Такой атом, однако, вовсе не инертен, как можно было бы подумать, прочитав: "без химических свойств". Он является весьма опасным соседом. Стоит поблизости от него оказаться любому другому атому, как этот сгусток нейтронов, пройдя практически беспрепятственно через электронное облако атома, с огромной силой притянется к его ядру. Произойдет типичное ядерное слияние (причем к слову "ядерное" незачем даже добавлять приставку "термо" - никакого нагревания, разумеется, не нужно). Если "комок нейтронов" достаточно велик, это вызовет ощутимый взрыв.

Как видите, даже в области фантастического "чистое ядерное вещество" ведет себя весьма и весьма агрессивно.

Однако почему мы говорим только о нейтронах? Ведь, как мы имели случай убедиться, слово "неустойчивая" приходится писать почти в каждой клеточке таблицы элементарных частиц. Неустойчивость же, как неоднократно подчеркивалось, за немногими исключениями связана с тем, что мы, пока несколько условно, называем слабыми взаимодействиями. Не будь последних, не только нейтроны, но и μ-мезоны, заряженные π-мезоны, К-мезоны, а также частицы тяжелее протонов и нейтронов - такие частицы объединяются общим названием "гиперонов" - стали бы стабильными. Вот, к примеру, μ-мезоны. Во многих отношениях они очень похожи на электроны и позитроны. Среди них есть заряженные как отрицательно, так и положительно. Но этим сходство не исчерпывается. Оно настолько велико, что физикам нередко начинает казаться, что, например, отрицательный μ-мезон - это, в сущности, тот же электрон, но только "прибавивший в весе" за счет каких-то пока неизвестных причин. Весит μ-мезон действительно в 207 раз больше, чем электрон.

А как же распад, - спросите вы, - разве это не существенное отличие? Электрон устойчив, а μ-мезон живет миллионные доли секунды. На это можно ответить таким примером. Представьте себе атом в возбужденном состоянии. Такой возбужденный атом тоже неустойчив: как правило, он почти мгновенно распадается на невозбужденный атом и фотон. И вместе с тем мы не говорим, что возбужденный и невозбужденный атомы - это разные системы, а предпочитаем употреблять выражение: одна и та же система в разных состояниях. Может быть, и μ-мезон - это возбужденный электрон?

Однако этот увлекательный сам по себе вопрос увел нас несколько в сторону от темы. Мы хорошо знаем, какую "полезную нагрузку" имеют электроны. Они формируют оболочку атомов, а стало быть, в частности, определяют химические свойства. Движение электронов обусловливает токи в металлах; электрон - главное действующее лицо во всевозможных электронно-лучевых приборах, начиная с простейшего диода (двухэлектродной лампы, применяемой в выпрямителях электрического тока) и кончая электронными микроскопами и бетатронами. Можно сказать, что электронам принадлежит ведущая роль в современной науке и технике. А не могли бы μ-мезоны играть такую же роль? Мешает нестабильность... А если бы не она - все электронные функции не без успеха, а порой и с известным преимуществом могли бы принять на себя μ-мезоны.

Не все сказанное относится к области фантастики (если бы не было слабых взаимодействий...) Атомы, например, у которых электроны заменены μ-мезонами (отрицательными, конечно), действительно обнаружены. Как ни мало живут такие "мезоатомы", исследователям все же удалось заснять весь их спектр. А это очень интересно: ведь орбита мезонов в 207 раз (во столько раз они тяжелее электронов) ближе к ядру, чем электронная. Поэтому мезон гораздо сильнее чувствует все особенности структуры ядра и информирует нас о них посредством своего спектра.

Если мы уже заговорили о системах, в состав которых входят μ-мезоны, то стоит упомянуть еще об одной любопытной возможности. Представьте себе нечто вроде атома водорода, но только пусть роль ядра играет положительный μ-мезон. Будь μ-мезон устойчивым, из таких атомов можно было бы составлять молекулы. Можно было бы получать необыкновенные химические соединения вроде "сверхлегкой воды" и т. д.

Тема "мир без слабых взаимодействий" дает такой простор для воображения, что мы могли бы еще долго заниматься обсуждением разных диковинных вещей.

Однако мы и так потратили на фантастику много времени. Единственное, о чем стоит, пожалуй, еще упомянуть, - это гипероны.

Будь гипероны устойчивыми, необычайно обогатился бы набор атомных ядер. Оказались бы возможными стабильные ядра из смеси нейтронов, протонов и различных гиперонов, ядра из одних гиперонов. Из нейтральных гиперонов можно было бы строить электронейтральные куски гипер-ядерного вещества. Это даже и выговорить не так-то просто.

Однако мы уже достаточно пофантазировали. Читатель, познакомившийся с началом этой главы, вероятно, смог хотя бы в небольшой степени представить себе, насколько существенны для облика нашего мира слабые взаимодействия. Сколько всевозможных "запрещений" (и упрощений, - вероятно подумали некоторые) влекут они за собой. Название "слабые", таким образом, вовсе не означает незначительности проявлений этих взаимодействий.

И вместе с тем для этого названия есть веские причины. Чтобы понять их, нам придется поближе познакомиться с некоторыми важными явлениями.

Четверть века призрачного существования

Около тридцати лет назад на страницах научных журналов полу лось слово "нейтрино". В буквальном переводе на русский оно означает что-то вроде - "нейтральненькая". Так назвали новую частицу, которой суждено было стать самой, пожалуй, замечательной и популярной в семействе элементарных частиц.

Необычайным путем вошла она в науку; удивительными оказались ее свойства, и, наконец, необычайна ее роль в природе.

Эту частицу пришлось "изобрести", чтобы не рухнул весь фундамент, на котором покоится физика, чтобы спасти законы сохранения. Прямое экспериментальное доказательство ее существования появилось лишь в 1956 году. Четверть века нейтрино вело призрачное существование на страницах научных книг и статей. Хотя никто тогда не "видел" этой частицы, ей отводилось важное место во взаимных превращениях многих частиц. И прежде всего (хотя бы в смысле хронологическом) нейтрона.

Мы уже много говорили о β-распаде нейтрона. Образующиеся при этом распаде протон и электрон без особого труда обнаруживаются приборами. Но вот что странно: если измерить энергию нейтрона до распада и сравнить ее с той энергией, которую получают протон и электрон, образовавшиеся из этого нейтрона, то обнаруживается неувязка. Часть энергии, казалось, куда-то исчезает! Точно так же обнаруживается парадоксальное несохранение импульса и момента количества движения.

Законы сохранения - это самые фундаментальные принципы, которые удалось установить физикам на основе бесчисленных опытов и их истолкования. Конкретные методы описания движения могут меняться. Так на смену ньютоновскому описанию пришло квантовомеханическое, но законы сохранения всегда оставались незыблемыми. Более того, они сами были тем маяком, который помогал ученым двигаться в области неизведанного.

И вот явление β-распада, по видимости, прямо показало их несостоятельность. В физике возникло то, что можно назвать "чрезвычайным положением".

В то время мнения ученых разделились. Часть из них пыталась примириться с мыслью о нарушении законов сохранения. Они ссылались на то, что эти законы установлены для мира "больших вещей", для макромира, а не для элементарных частиц, и могут выполняться лишь "в среднем". Такой подход, помимо того, что он не снимал всех проблем, не мог импонировать большинству физиков еще и потому, что в нем не было положительной программы дальнейшего движения.

Гораздо привлекательнее выглядела гипотеза швейцарского теоретика Вольфганга Паули. Что, если вместе с протоном и электроном при распаде нейтрона рождается еще одна частица, - спросил себя Паули, - которая уносит с собой недостающую энергию, импульс, момент количества движения? Мы не наблюдаем этой частицы, но это легко объяснить. Стоит только представить себе, что она не имеет электрического заряда и ее масса покоя очень мала или вообще равна нулю. Тогда она не сможет отрывать электроны у атомов, расщеплять ядра и вообще производить все те "разрушения", по которым мы всегда судим о присутствии частиц.

Конечно, нельзя утверждать, что такая частица абсолютно ни с чем не взаимодействует. То, что было рождено, может затем и поглотиться. Иначе изобретение нейтрино означало бы все тот же отказ от законов сохранения, только в более хитрой, завуалированной форме. Энергия ведь терялась бы с нейтрино бесследно и навсегда,

Призрачное существование

Паули предположил, что нейтрино просто очень слабо взаимодействует с веществом и поэтому может пройти сквозь большую его толщу, не обнаружив себя. Сейчас мы знаем, насколько прав был Паули, высказывая такое предположение. Нейтрино - действительно самая "неуловимая" частица. Она свободно проходит через земной шар, способна пронизать Солнце. И только если представить себе чудовищный железный ком размером с нашу галактику, то в нем нейтрино поглотилось бы почти наверняка.

"Крестным отцом" нейтрино, давшим ему это имя, был известный итальянский физик Ферми. Именно он "узаконил" его, введя нейтрино в рамки существующей квантовой теории.

Работы Ферми и длинный ряд работ его последователей, казалось, полностью прояснили ситуацию. Масса покоя нейтрино оказалась равной нулю, как и у частицы света - фотона. Это имеет простой смысл: покоящихся нейтрино нет. Сразу же после рождения они движутся со скоростью света.

Хорошо известен также спин нейтрино. Он оказался таким же, как у протона или электрона.

Сведений о нейтрино накапливалось все больше. Теоретики предсказали, что у него должен существовать двойник, как есть "двойник" позитрон у электрона. Название двойнику пришло само собой - антинейтрино. Некоторая курьезность имеется в том, что те частицы, которые образуются при β-распаде нейтрона, по ряду соображений следует называть не нейтрино, а антинейтрино.

Экспериментаторы накопили много сведений о превращении частиц, в которых участвуют нейтрино и антинейтрино. Список таких превращений (о них мы поговорим еще в дальнейшем) сейчас уже довольно обширен. Оказывается, отнюдь не один β-распад нейтрона протекает с участием этих частиц-невидимок. Но как "поймать" их? Экспериментаторам удалось добиться и этого. Сделано это было с помощью простейшего по своей идее опыта. Возле ядерного реактора, в котором происходит громадное число β-распадов (и, следовательно, образуется очень много антинейтрино), был расположен массивный "ящик". Стенки его были из такого материала (свинец и парафин) и такой толщины, что сквозь них внутрь "ящика" заведомо не могла проникнуть ни одна частица. Ни одна - кроме антинейтрино. Ведь для антинейтрино практически нет преград. Потоки антинейтрино из котла устремляются во все стороны, в частности в "ящик". Эти потоки так велики, что хотя каждая частичка антинейтрино имеет ничтожно малую вероятность поглотиться в веществе, заполняющем "ящик", из-за громадности числа этих частиц несколько актов поглощения может произойти за сравнительно недолгое время. По расчетам ученых процесс должен был протекать так. Пусть антинейтрино (ν) сталкивается с одним из протонов в точке А ("ящик" заполнялся водой), заставляя его превращаться в нейтрон с одновременным образованием позитрона. Позитрон немедленно аннигилирует с "первым попавшимся" электроном (в точке В), давая два γ-кванта. Эти последние проходят через слой жидкого сцинтиллятора (вещества, начинающего светиться при прохождении сквозь него γ-квантов), расположенного возле внутренних стенок "ящика". Это свечение сразу же отмечают 150 фотоумножителей - приборов, реагирующих на слабейшие световые импульсы. А образовавшийся нейтрон? После непродолжительного блуждания в воде он должен был захватиться специально введенным в "ящик" кадмием (точка С), что также сопровождается образованием γ-квантов. Как видите, масса событий должна сопровождать захват антинейтрино. Так предсказывала теория. Но что скажут приборы? Зарегистрируют ли они все то, что было предсказано?

Световые импульсы

И приборы действительно зарегистрировали наконец то, что, несмотря на большую уверенность физиков, все же оставалось гипотетичным. Частица- невидимка выдала себя, попав в "капкан", поставленный учеными.

Казалось, физикам удалось "расправиться" с нейтрино и антинейтрино: теоретики уверенно их описывали, экспериментаторы научились их обнаруживать. Однако вскоре природа преподнесла исследователям очередной сюрприз, как бы напоминая, что успокаиваться, когда имеешь дело с нейтрино, нельзя.

Нейтрино-спаситель и нейтрино-разрушитель

Нейтрино своим "рождением" спасло важнейшие законы сохранения. Однако то же нейтрино разрушило другой закон весьма общего значения. До 1956 года никому не приходило в голову усомниться в зеркальной симметрии природы. Это значит, что любой процесс, происходящий в природе, как считалось, может протекать и так, каким он виден в зеркале. Соответственно, зеркальное изображение любого объекта - также возможный объект природы. Правда, человек, рассматривающий свое отражение в зеркале, мог бы, вдумавшись, уловить и некоторые любопытные детали: правое превращается в левое. "Зеркальный двойник" пишет левой рукой - но ведь есть левши; он застегивает костюм на левую сторону - но ведь только привычка заставляет мужчин поступать иначе; у "двойника" сердце расположено справа - но ведь есть же, в конце концов, хотя и очень редкие случаи, когда такое расположение встречается у людей. Короче говоря, и здесь мы, как будто, убеждаемся, что в "зазеркалии" никаких чудес вроде тех, которые видела Алиса, нет: там все выглядит так, как могло бы выглядеть и в "предзеркалии".

Нейтрино

Существует зеркальная симметрия, симметрия правого и левого. Существует ли она, однако, всегда?

Долгое время ничто не заставляло усомниться в этом, а привычное часто кажется непреложным. Изучение нейтрино еще раз напомнило физикам: в науке нет само собой разумеющихся истин.

Мы уже говорили, что нейтрино имеет спин - собственный момент количества движения. Говоря на наглядном "классическом" языке, оно как бы закручено (еще раз напомним приводившийся ранее пример пули, вылетевшей из нарезного ствола). Те нейтрино, которые образуются при распаде антинейтрона, оказываются закрученными строго определенным образом: направление их "вращения" образует левый винт с направлением движения. Никаких исключений (вроде рождения людей с сердцем в правой половине груди) здесь нет. Но ведь это явное нарушение зеркальной симметрии: винт с левой нарезкой будет казаться в зеркале имеющим правую резьбу. "Правовинтового" же нейтрино не существует. Нейтрино - это единственный объект, не имеющий, так сказать, зеркального изображения.

Значит ли это, что, поставив нейтрино перед зеркалом (и допустив на мгновение, что мы каким-то чудом можем его видеть), мы вообще не увидим никакого отражения? Нет, мы этого не утверждаем. Речь идет о том, что это отражение обладает такими "свойствами" (если так можно вообще говорить об отражении), какими нейтрино никогда ни при каких условиях обладать не может. Но удивительным образом эти свойства такие же, как у антинейтрино.

Итак, отражением частицы нейтрино в зеркале является другая частица - антинейтрино. Если вдуматься, это выглядит не менее поразительно, чем, скажем, то, как если бы отражением очаровательной девушки в зеркале оказался бы немолодой лысый мужчина.

Мы, разумеется, не имеем в виду сравнение степени привлекательности нейтрино и антинейтрино, мы хотим лишь подчеркнуть, что это разные частицы. Разные и в то же время зеркально-симметричные. Установление этого факта означало крушение уверенности в том, что можно назвать "простой симметрией правого и левого". Это было немалым сюрпризом для физиков.

В зеркале вы видите анти-Я

В нашем мире бросается в глаза подавляющее преобладание частиц над античастицами. А ведь свое согласно фундаментальным законам природы античастицы и частицы имеют совершенно равные права на существование. Антипротоны и антинейтроны могут образовывать антиядра. Вместе с позитронами антиядра могут составлять антиатомы и куски антивещества.

Анти-Я

Мы ничего не знаем о том, каким образом вещество Вселенной оказалось отсепарированным от антивещества. Мы можем пока только констатировать факт такой сепарации. До 1957 г. физики были убеждены, что при замене всех частиц античастицами мы получили бы мир, в котором все происходило бы точно так же, как и в нашем. Считали, что природе свойственна симметрия и такого рода.

Однако вспомним свойства нейтрино. Из-за за- крученности этой частицы процессы в мире, в котором нейтрино заменены антинейтрино, будут происходить уже по-иному. Они будут происходить так, как при зеркальном отражении, которое как раз и меняет закрученность нейтрино. Следовательно, в частности, естественно предположить, что распад антикобальта будет происходить точно так же, как и распад кобальта, видимый в зеркале.

Объединяя две асимметрии, зеркальную и зарядовую вместе, мы приходим к более важной симметрии, получившей название принципа комбинированной четности. Согласно этому принципу зеркальное изображение любого процесса в природе также является возможным процессом, если только все частицы заменить античастицами.

Если раньше думали, что отражение тела в зеркале отличается от самого тела только заменой левого на правое, то согласно новым представлениям изображение ведет себя так, как если бы оно состояло из антивещества: зеркальные изображения нейтрино - антинейтрино, электрона - позитрон и т. д. В зеркале вы видите свое анти-Я: левое заменено на правое, а частицы на античастицы.

Опыты By

Необычные свойства нейтрино приводят к существованию в нашем мире процессов, идущих с нарушением зеркальной симметрии. Впервые это было экспериментально установлено в опытах американского физика By, поставленных по идее Ли и Янга - теоретиков, указавших на возможность нарушения зеркальной симметрии. Схема этих опытов, если не вдаваться в подробности, такова.

Радиоактивный кобальт (Со⁶⁰) охлаждается до очень низких температур и помещается в сильное магнитное поле. При этом все (или, во всяком случае, заметная доля) ядра оказываются ориентированными: их магнитный момент и пропорциональный ему момент количества движения параллелен магнитному полю. Измеряется количество возникающих при β-распаде электронов, летящих как по, так и против направления магнитного поля.

Если бы зеркальная симметрия существовала, то это количество должно было бы быть одинаковым - в этом легко убедиться, представив себе "зеркальную" установку. Эксперимент убедительно показал существование явной асимметрии (60% и 40%, а не по 50%).

Повторенные затем во многих лабораториях мира, эти опыты не оставили сомнений в том, что зеркальная симметрия нарушается.

Нарушение этой симметрии, как показывает теория, возможно именно благодаря тому, что вылетающие из ядра одновременно с электронами антинейтрино всегда закручены строго определенным образом: направление их вращения, т. е. спин, составляет правый винт с направлением движения.

Впоследствии удалось обнаружить нарушение зеркальной симметрии при распаде π- и μ-мезонов. Здесь также появляются нейтрино или антинейтрино. Более того, мы сейчас знаем, что зеркальная симметрия нарушается во всех процессах, обусловленных слабыми взаимодействиями. Это относится, например, к рождению и распаду Λ⁰-частиц, хотя нейтрино в таких процессах не участвует.

Два сорта нейтрино

Но сюрпризы далеко не кончились. В 1962 году в нейтринной физике произошло новое удивительное событие. Мы уже говорили о μ-мезонах. Их сходство с электронами (и позитронами, если речь идет о μ⁺ т. е. о положительных мезонах) касается и взаимодействий с нейтрино.

В опытах 1956 года антинейтрино, сталкиваясь с протонами, порождало позитроны. А почему не μ⁺-мезоны? Просто потому, отвечали физики, что не хватало энергии. μ⁺-мезоны примерно в 200 раз тяжелее позитронов и, следовательно, для их образования требуется во столько же раз большая энергия. Антинейтрино же, вылетающие из реактора, такого запаса энергии не имеют. А если бы имели? Тогда, - отвечали ученые, - μ⁺-мезоны рождались бы примерно столь же часто, как и позитроны.

Если бы, далее, какой-нибудь дотошный человек продолжал бы спрашивать: а вдруг оказалось бы, что и быстрые антинейтрино из реактора рождают позитроны? - то многие физики, по-видимому, отвечали бы на такой вопрос скептической улыбкой. Ведь окажись это так, пришлось бы признать, что между "электронным" и "μ-мезонным" нейтрино есть какая-то разница. Пришлось бы признать, что есть разные сорта нейтрино, а это как-то не укладывалось в уже устоявшееся представление о нейтрино. Даже в такой "молодой" отрасли науки, как нейтринная физика, успевают образоваться привычные представления.

Наблюдения нейтрино

Вопрос о двух нейтрино оказался актуальным лишь в тот момент, когда появилась реальная возможность решить его экспериментально. Идея опыта была предложена советским физиком Б. М. Понтекорво. Сам опыт с блеском провели наши американские коллеги.

Нейтроны - очень удобный источник антинейтрино. Однако, чтобы антинейтрино рождались с большими энергиями, нужно предварительно сообщить значительную энергию и нейтронам. Но ускорителей для нейтронов нет. Эти частицы нейтральны, а разгонять мы сегодня умеем только заряженные частицы.

Есть, однако, и другой путь. Хорошо известно, что при распаде π-мезона образуется μ-мезон и нейтрино (или антинейтрино). Какое нейтрино - "электронное" или "μ-мезоыное"? Недавно такой вопрос даже не ставился. Теперь, когда он поставлен, мы можем осторожно ответить: во всяком случае, "μ-мезонное" наверняка. Оно тесно связано с μ-мезоном уже "общностью рождения". Является ли оно одновременно "электронным"? Нужен опыт...

Опыт, проведенный в 1962 году на ускорителе в 30 миллиардов электронвольт в Брукхейвене, подготовлявшийся два года, выглядел так. Пучок ускоренных протонов налетал на бериллиевую мишень, рождая потоки π-мезонов. Эти последние в свою очередь, распадаясь, давали наряду с μ-мезонами то, что было самым важным: антинейтрино (и нейтрино) больших энергий. Правда, их было совсем не так много, как в опытах с реактором. Однако вычисления показали, что быстрые антинейтрино куда "охотнее" взаимодействуют с другими частицами, чем медленные^*. Для регистрации порождаемых антинейтрино частиц применялась так называемая искровая камера. Эта камера содержала 10 тонн алюминиевых пластин, между которыми создавалось высокое напряжение. Если быстрая заряженная частица пролетает сквозь пластины, то в зазорах на пути ее следования возникает искровой разряд между пластинами. Огненный след, хорошо видимый на фотографии, позволяет легко отличить μ-мезоны от позитронов и электронов. Чтобы в камеру проходили извне только нейтрино (и антинейтрино), имелась специально предусмотренная защита.

^*(Слова "быстрые" и "медленные" обозначают лишь различие энергий. Скорости же всегда одинаковы: совпадающие со световой.)

Наблюдения велись шесть месяцев. За это время было обнаружено всего пятьдесят случаев (вспомните - взаимодействия слабые!) рождения частиц. И все они без исключения были μ-мезонами! Ни одного электрона или позитрона! Это было новым поразительным сюрпризом. Существование двух разных типов нейтрино (и антинейтрино) - "электронного" и "μ-мезонного" - было доказано.

Что это за типы? Каково различие между ними? Каковы детали законов, ими управляющих? Мы пока не знаем. Перед учеными встала новая загадка, которую еще предстоит разрешить.

У читателя может сложиться впечатление, что нейтрино - строптивая и неблагодарная частица. Правда, один раз она выручила физиков, когда спасла закон сохранения энергии, зато уж в дальнейшем отыгралась вволю, на каждом шагу устраивая разные каверзы и подставляя ножку ученым. Три десятка лет изучают нейтрино - и как будто опять приходится начинать все сначала.

Это, конечно, не совсем так. Как ни увертлива эта частица, ей не удалось полностью спрятаться. Мы сейчас знаем о ней совсем немало и о многом догадываемся.

Нам, например, немало известно о взаимоотношениях нейтрино с другими частицами, - о том, в каких распадах нейтрино участвует, и о том, какие превращения нейтрино вызывает.

Нейтринная алхимия

Приведем для примера некоторые распады, где нейтрино появляется в первом поколении (ведь продукты распада сами могут быть неустойчивыми и, распадаясь, порождать нейтрино).

μ → ^е-- + ν + - распад отрицательного μ-мезона на электрон, нейтрино и антинейтрино^*.

^*(Мы будем обозначать частицы буквами. Смысл этих обозначений легко понять, взглянув на таблицу элементарных частиц.)

π⁺ → μ⁺ + ν - распад положительного π-мезона на положительный μ-мезон и нейтрино.

или

Эти три "канала распада" положительного К-мезона возможны потому, что К-мезон - сравнительно тяжелая частица. Запас массы здесь достаточен, чтобы породить целых три "осколка". В тех случаях, когда нейтральный π-мезон не образуется, излишек энергии делится между μ-мезоном (или позитроном) и нейтрино.

Наконец, напомним еще уже хорошо известный нам пример β-распада нейтрона на протон, электрон и антинейтрино.

У этих, равно как и у любых других реакций между элементарными частицами, есть замечательные особенности. Прежде всего, символы, обозначающие частицы, можно "переносить на другую сторону стрелки", заменяя при этом, однако, частицы на античастицы.

Кроме того, можно изменять направление стрелки. Это означает, что каждая реакция может протекать как в "прямом", так и в "обратном" направлении.

Проделаем это, к примеру, с реакцией β-распада нейтрона. Сначала мы записали ее в виде

n → р + е^- + .

Теперь перенесем электрон влево и поменяем направление стрелки. Получится реакция, протекающая по схеме:

n + е⁺ ← р + .

Но ведь это наша старая знакомая - та самая реакция, которая впервые позволила обнаружить антинейтрино! Действительно, словами она прочитывается так: система из антинейтрино и протона после их столкновения превращается в систему из нейтрона и позитрона.

Аналогичное "жонглирование символами" приводит к удивительно удачному способу предсказания целой цепи реакций с частицами.

Вернемся еще раз к "проблеме двух нейтрино". Рассмотрим реакцию распада π-мезона, например положительного:

Строго говоря, писать просто значок "ν" для обозначения нейтрино уже нельзя. Поскольку эта частица появляется "в компании" с μ-мезоном, ее естественно назвать "μ-мезонным нейтрино" и обозначить, например, как ν_μ. Теперь вспомним о нашем правиле. Оно сразу же позволит написать интересную реакцию:

Значит, при столкновении с отрицательными π-мезонами (а они всегда найдутся в достаточном количестве в мезонном "облаке", окружающем любой из протонов и нейтронов, входящих в состав атомных ядер) "μ-мезонное нейтрино" должно рождать именно μ-мезоны, а не электроны.

Эти соображения и легли в основу теоретических разработок опытов по обнаружению "двух нейтрино".

Однако подобное "жонглирование символами" имеет жесткие ограничения, смысла которых пока не понимает никто.

Взгляните на таблицу элементарных частиц. Там есть группа легких частиц - лептонов. В нее как раз входят оба нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ^--мезон вместе с четырьмя соответствующими античастицами.

Оказывается, что при любых реакциях между частицами при всех рождениях и уничтожениях частиц совершенно неукоснительно выполняется закон: разность числа лептонов и антилептонов до реакции равна разности этих чисел после реакции.

Посмотрите, например, реакцию распада нейтрона. До реакции лептонов не было. После реакции появляется один лептон - электрон и один антилеп- тон - антинейтрино. Разность числа лептонов и антилептонов после реакции равна нулю. И так происходит всегда. Существует закон сохранения числа лептонов, аналогичный закону сохранения тяжелых частиц - барионов и закону сохранения электрически заряженных частиц.

Почему разность между числом лептонов и антилептонов во Вселенной остается неизменной? Здесь нам пока ничего не остается делать, как развести руками. Так есть, и набранная к настоящему времени статистика реакций с участием лептонов столь велика, что мы уверенно можем сказать, что так и будет^*.

^*(Собственно говоря, примерно так же обстоит дело с сохранением электрического заряда и числа тяжелых частиц. Почему эти законы выполняются, отнюдь не более ясно, чем выполнение закона сохранения лептонов.)

Очень важно, что закон сохранения лептонов позволяет заранее совершенно уверенно предсказать, какие реакции между частицами не могут идти.

Было бы утомительно, да и не очень полезно, скрупулезно выписывать все реакции с участием нейтрино. Мы и не собираемся этого делать. Важно выяснить другое: что, собственно, мы имели в виду, когда говорили о "слабости взаимодействия"?