Неуловимое нейтрино
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
В микромире, где предметом исследований являются так называемые элементарные частицы, физик встречает много неожиданностей. И, безусловно, самая удивительная элементарная частица — это нейтрино. Не так просто дать четкое определение элементарной частицы. Договоримся называть так микрообъекты, структура которых пока совсем не известна. Согласно этому определению атомы не являются элементарными частицами (ведь доказано, что они состоят из электронов и атомных ядер). То же можно сказать об атомных ядрах, которые сложены из нуклонов (нейтронов и протонов). Нейтрино же полностью выполняет требование, предъявляемое на «соискание» имени элементарной частицы: о его структуре не известно ровно ничего.
А удивительные свойства нейтрино лучше всего выражаются в его потрясающей проникающей способности: оно может беспрепятственно пронизывать огромные толщи вещества, скажем, чугунную плиту, толщина которой в миллиарды раз превышает расстояние от Земли до Солнца!
Здесь у читателя встает вопрос: как же можно поймать эту неуловимую частицу? И вообще как можно утверждать, что она существует? На этот совершенно законный вопрос мы ответим позднее. Пока достаточно сказать, что громадная проникающая способность нейтрино объясняется чрезвычайно слабым взаимодействием его с другими элементарными частицами. О характере таких взаимодействий и надо рассказать, прежде всего.
СИЛЬНЫЕ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ, СЛАБЫЕ
Читателю знакомы разные силы. Но, может быть, он никогда не задумывался над тем, что типов взаимодействия, глубоко различающихся по природе, очень мало. Если не считать тяготения, которое играет существенную роль только в присутствии огромных масс, то известны лишь три вида взаимодействий: сильные, электромагнитные и слабые. Электромагнитные взаимодействия знакомы физике давно. Благодаря им движущийся неравномерно электрический заряд (скажем, электрон в атоме) испускает электромагнитные волны (например, видимый свет). С этим классом взаимодействий связаны также все молекулярные явления — поверхностное натяжение, капиллярность, адсорбция, текучесть. Электромагнитные взаимодействия, теория которых блестяще подтверждается опытом, глубоко связаны с электрическим зарядом элементарных частиц.
Теперь о сильных взаимодействиях. Они стали известны только после раскрытия внутренней структуры атомного ядра. В 1932 году было найдено, что атомное ядро состоит из нуклонов (нейтронов и протонов). И именно сильные взаимодействия соединяют нуклоны в ядре — отвечают за ядерные силы, которые, в отличие от электромагнитных, характеризуются очень малым радиусом действия (около 1013 см) и большой интенсивностью.
Кроме того, сильные взаимодействия появляются при столкновениях частиц высоких энергий с участием так называемых пи- и К-ме- зонов, а также гиперонов. Интенсивность взаимодействий удобно оценивать по так называемой длине свободного пробега частиц в некотором веществе, то есть средней величине пути, который частица может пройти в этом веществе до разрушающего или сильно отклоняющего соударения. Ясно, что чем больше длина свободного пробега, тем менее интенсивно взаимодействие.
Если рассматривать частицы очень высокой энергии, то соударения, обусловленные сильными взаимодействиями, характеризуются длиной свободного пробега частиц, равной по порядку величины десяткам сантиметров в меди или железе. Иначе обстоит дело при слабых взаимодействиях.
Как мы уже сказали, нейтрино обладает колоссальной проникающей способностью. Длина его свободного пробега в плотном веществе измеряется в астрономических единицах. Это отражает малую интенсивность одного типично слабого взаимодействия — между нейтрино и нуклонами.
Впрочем, не только нейтрино испытывают слабые взаимодействия. Такое свойство характерно и для всех других элементарных частиц. Нейтрино же отличается тем, что не подвержено ни сильному, ни электромагнитному взаимодействиям (у нейтрино нет электрического заряда). Таким образом, нейтрино — почетный представитель частиц испытывающих слабые взаимодействия в чистом виде.
Нам остается привести некоторые примеры процессов, обусловленных слабыми взаимодействиями. Это, конечно, редчайшие соударения нейтрино с электронами и нуклонами при его прохождении через вещество. Зарегистрировать такие события необычайно трудно. Но имеется ряд «слабых» процессов, более доступных исследованию. Речь идет о многочисленных спонтанных (самопроизвольных) превращениях элементарных частиц. Оказывается, что почти все такие превращения обусловлены слабыми взаимодействиями. И лучше других изучен так называемый бета-распад нуклона, когда одно ядро переходит в другое, испуская электрон и нейтрино.
Надо сказать, что любое спонтанное превращение характеризуется некоторым временем (его обозначают греческой буквой — тау), определяющим среднюю продолжительность жизни частиц до распада. 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 в 10 степени (одну десятимиллиардную долю) секунды, классифицируется как медленное. Но все познается в сравнении. В мире элементарных частиц такой промежуток времени, действительно, весьма продолжителен.
В микромире естественной единицей длины будет пробег, равный радиусу ядерных сил (10 в -13 степени см). А так как элементарные частицы высокой энергии имеют скорость, близкую к скорости света (порядка 10 в 10 степени см./сек), то «нормальный» масштаб времени для них составит 10 в -23 степени сек. Такое время характерно для сильных взаимодействий. Время же 10 в -10 степени сек. для «граждан» микромира гораздо дольше, чем для нас с вами весь период существования жизни на Земле.
ЧАСТИЦЫ И АНТИЧАСТИЦЫ
Понятие античастицы было введено более 80 лет тому назад английским физиком Дираком. Путем глубоких теоретических исследований он пришел к выводу о том, что наряду с обычными электронами, обладающими отрицательным электрическим зарядом, должны существовать антиэлектроны, наделенные зарядом положительным. Этот «антиэлектрон» или положительный электрон (позитрон, как его называют) с массой, тождественной массе обычного отрицательного электрона, был открыт в 1932 году.
Теоретический вывод об антиэлектронах справедлив и для других элементарных частиц. В природе имеет место очень красивая симметрия, которая в последние несколько лет была окончательно подтверждена рядом фундаментальных опытов. Каждой элементарной частице соответствует ее двойник, имеющий одинаковую массу и противоположный знак заряда.
Эта формулировка, правда, не полна. Элементарные частицы характеризуются не только электрическим зарядом. Существуют также иные типы «заряда», не имеющие отношения к электромагнитным свойствам частиц. Такие неэлектрические типы заряда пока еще не обсуждаются в элементарных учебниках физики, но, несомненно, вскоре они станут достоянием всех любителей науки.
Отличительное свойство зарядов всех типов состоит в том, что они квантованы, то есть могут иметь только дискретные величины. В разных превращениях они сохраняются точно так же, как электрический. Именно тот факт, что некоторые (на первый взгляд возможные) превращения частиц на самом деле не наблюдаются, заставил ввести понятие разных зарядов. Неуничтожимость заряда (любого типа, а не только электрического) запрещает эти превращения.
Например, мы знаем, что нуклоны никогда не распадаются только на «легкие» частицы. Почему? Потому, что всякий нуклон имеет так называемый барионный заряд (помимо того, что протон имеет еще и электрический), а никакая комбинация легких частиц барионного заряда не имеет.
Забегая вперед, придется уже сейчас сказать читателю, что нейтрино и другие частицы, именуемые лептонами, наделены третьим типом заряда — «нейтрино-зарядом». Неуничтожимость его также ограничивает число возможных превращений легких частиц. В связи с этим надо отметить вот что. Каждой элементарной частице соответствует античастица со значениями всех зарядов, одинаковыми по величине, но противоположными по знаку. Значит, даже электрически нейтральная частица может отличаться от своей античастицы. Пример — нейтрон, который является электрически нейтральным, но имеет отличную от нуля величину барионного заряда.
Конечно, если все заряды данной частицы равны нулю, то частица тождественна со своей античастицей; она истинно нейтральна, то есть лишена всех зарядов. Таких истинно нейтральных частиц в природе известно только четыре: фотон, нейтральный пион, нейтральный каон-1 и нейтральный каон-2.
Отметим, наконец, характерное свойство частиц и античастиц: сталкиваясь друг с другом, они, как говорят физики, «аннигилируют» — превращаются в другие частицы, суммарный заряд которых равняется нулю. Ведь суммарный заряд (электрический, барионный и нейтринный) пары «частица-античастица» равен нулю, и ничто не запрещает превращения этой пары в систему частиц тоже с суммарными зарядами, равными нулю. В частности, при аннигиляции всегда имеется возможность испускания только фотонов.
Продолжение следует.
Автор: Б. Понтекорво.