В поисках нейтрино-заряда

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

Распад нейтрона в прошлых статях записан был несколько «догматично». «Неуловимую» частицу, возникающую в продуктах распада, мы назвали антинейтрино. Почему же антинейтрино, а не нейтрино? Это название выбрано совершенно произвольно и только по соображениям удобства. Такие условности в физике бывают нередко. Скажем, ничего не изменилось бы, если бы мы в один прекрасный день решили считать электрический заряд электрона положительным. Конечно, автоматически заряд у антиэлектрона стал бы отрицательным.

Итак, мы называем антинейтрино ту частицу, которая испускается в бета-распаде совместно с электроном (когда нейтрон превращается в протон). Но физики давно знают и другой процесс, именуемый «бета-плюс-распадом», когда протон внутри атомного ядра самопроизвольно превращается в нейтрон, позитрон и «неуловимую» нейтральную частичку. И вот здесь эту частичку мы должны назвать нейтрино.

Однако пока совершенно не ясно, отражают ли эти два названия реальную суть вещей или являются чисто формальным делом. Нам надо выяснить, отличаются ли по каким-то характеристикам нейтрино от антинейтрино. Или они тождественны? Иными словами, нужно экспериментально выявить нейтрино-заряд. Надо выяснить опытом: является ли нейтрино частицей истинно нейтральной, то есть нейтральной по отношению ко всем видам заряда?

Вы уже знаете ответ на такой вопрос: да, нейтрино отличается от антинейтрино, и обе эти частицы обладают противоположными нейтрино-зарядами. Как же это было доказано? Принцип эксперимента, предложенного почти 15 лет назад, читатель, внимательно следивший за предыдущими строками, может придумать сам. Я буду помогать ему в решении этой задачи.

Мы видели, что антинейтрино с протоном может дать позитрон и нейтрон. Аналогично этому столкновение нейтрино с нейтроном может дать электрон и протон (ибо последняя реакция вызвана тем же самым взаимодействием, что и предыдущая). Но другое дело, если мы рассмотрим реакции: нейтрино + протон — нейтрон + позитрон и антинейтрино + нейтрон — протон + электрон.

Обе эти реакции получены из двух предыдущих путем замены нейтрино на антинейтрино и наоборот. Если различие между нейтрино и антинейтрино чисто формальное, если оно существует лишь в записи, то, конечно, будут иметь место обе реакции. Если же различие между нейтрино и антинейтрино связано с различием внутренних свойств этих частиц, то обе эти реакции невозможны.

Итак, для проверки вопроса о различии нейтрино и антинейтрино можно использовать одну из последних реакций. Поскольку нет интенсивных источников нейтрино, а имеются интенсивные источники антинейтрино — урановые реакторы, то удобно исследовать реакцию: антинейтрино + нейтрон — а электрон + протон. Правда, вещества, состоящего из одних только нейтронов, не существует. Но это не принципиальный вопрос. Можно изучить реакцию на нейтронах, находящихся внутри атомного ядра. Особенно удобным оказалось ядро хлора с атомным весом 37.

Этот крайне трудный опыт был закончен недавно американским физиком Девисом. Было найдено, что процесс антинейтрино + хлор-37 — аргон-37 + электрон не осуществляется. И поэтому, без сомнения, нейтрино и антинейтрино — разные частицы, имеющие противоположные знаки некоего неэлектрического нейтрино-заряда.

Какова природа этого заряда? Ответить окончательно на этот вопрос в настоящее время нельзя. Проблема связана с природой слабых взаимодействий, о которых мы пока знаем очень мало. Однако об одной характерной разнице между нейтрино и антинейтрино кое- что можно сказать. Предупреждаю, что разница, о которой пойдет речь ниже, может быть не единственным отличием нейтрино от антинейтрино.

ЧАСТИЦА — ШТОПОР

Со времени выдвижения гипотезы о нейтрино не было сомнения в том, что нейтрино, если они существуют, должны иметь «спин», т. е. являться вращающимися объектами (в квантово-механическом понятии). При этом ожидалось, что в составе пучка нейтрино одна половина частиц имеет правое вращение, а другая — левое (по отношению к направлению движения). Это ожидание было продиктовано физическим законом, который до 1957 года считался неоспоримым,— «законом сохранения четности».

Согласно закону сохранения четности во всех физических явлениях имеет место строгая право-левая («зеркальная») симметрия, — так что в природе якобы не могут происходить явления, в которых правое преобладает над левым и наоборот. В нашем случае этот закон запретил бы испускание, как говорят физики, «продольно поляризованных» нейтрино, то есть нейтрино, имеющих преимущественно, скажем, левое вращение по отношению к направлению движения.

Кроме того, до 1957 года думали, что имеет место и другая симметрия — «зарядовая», благодаря которой любое физическое явление остается «инвариантным» (то есть описывается тем же математическим законом), когда каждая частица заменяется своей античастицей. Эта симметрия запретила бы нейтрино иметь только левое вращение, а антинейтрино — только правое.

В 1957 году китайские физики Ли и Янг установили, что при слабых взаимодействиях эти два закона симметрии не имеют места. В экспериментах обнаружились явления, в которых эти законы явно нарушаются, но обязательно оба сразу. А русский физик Ландау показал, что в природе существует более глубокая симметрия, которую он назвал «комбинированной». Новый закон утверждает, что любое явление остается инвариантным, если одновременно правое заменить на левое и каждую частицу заменить ее античастицей.

С точки зрения нового закона нейтринный пучок может быть полностью поляризован. Кроме того, если нейтрино вращаются справа налево, то антинейтрино должны вращаться слева направо по отношению к направлению своего движения. Такая возможность естественно появляется в теории «продольного» нейтрино Ландау, Салама и Ли и Янга. Вместе с тем в этой теории получается, что нейтрино обязаны иметь массу, строго равную нулю, а значит согласно теории относительности скорость их всегда равна скорости света.

Все эти предсказания теории ныне подтверждаются в опытах. Причем доказано, что нейтрино вращается справа налево. Известно, что степень поляризации нейтрино и антинейтрино очень высока. Правда, еще не известно, полностью ли поляризованы неуловимые частицы, как этого требует теория продольного нейтрино, и точно ли равна нулю их масса. Если это окажется верным, мы сможем заключить, что единственная разница между нейтрино и антинейтрино — разное направление их «спиральности». К такой «спиральности» и сведется сущность нейтрино-заряда. Причем нейтрино будет напоминать штопор с бороздками налево.

Если же нейтрино не полностью поляризованы, и их масса, хотя и крайне мала, все-таки не равна нулю, то проблема природы нейтринного заряда становится менее ясной.

Автор: Б. Понтекорво.