Не прості досліди у фізиці

Давно минув час, коли великі відкриття робилися майже в домашній обстановці, як кажуть, за допомогою сургуча і мотузочок. Зараз між задумом експерименту і його здійсненням встають роки праці і, що важливо, десятки і сотні тисяч доларів, потрібні для закупівлі складного обладнання. Типовий експеримент з фізики елементарних частинок – це кілька років роботи двадцяти-тридцяти фізиків; це багатотонна установка — одна серед десятків подібних в неосяжному експериментальному залі якогось гігантського прискорювача.

Історико-термінологічний екскурс

До середини п’ятдесятих років минулого ХХ століття вважалося, що закони фізики симетричні щодо відображення в дзеркалі. Це означає, що будь-який фізичний експеримент, проведений в земній лабораторії (а також на Марсі або на Тау Кита, все одно), дасть ті ж результати, які б він дав, опинившись в уявному задзеркальному світі.

Можна сказати інакше – якби в один прекрасний момент Всесвіт вивернувся навиворіт, так, що координати і імпульси всіх частинок змінилися на протилежні, не існувало б способу — думали фізики початку п’ятдесятих років — це дізнатися: будь-який фізичний експеримент дав би той же результат, що і до такого перетворення світу.

Фізики початку п’ятдесятих років помилялися. Закони сильної та електромагнітної взаємодій, які визначають в основному структуру речовини, дійсно дзеркально симетричні. А ось закони слабкої взаємодії такою властивістю не володіють.

Як випливає з назви, слабка взаємодія значно менш інтенсивна, ніж електромагнітна, і тим сильніше. Воно відіграє відносно скромну роль в нашому «повсякденному» земному житті і проявляється головним чином в радіоактивних розпадах деяких ядер. Якщо речовину помістити в незвичайні (краще сказати, незвичні для нас) умови, роль слабкої взаємодії змінюється. Досить сказати, що, не будь в природі слабкої взаємодії, не горіли б зірки і Сонце і нікому було б писати і читати науково-популярні статті.

Типовий приклад слабкого процесу – це розпад нейтрона. Нейтрон розпадається на протон, електрон і антинейтрино. Повільно літаючий протон в принципі можна зареєструвати, але надзвичайно важко. Антинейтрино взаємодіє з речовиною дуже слабо і реєстрації практично не піддається. Легкий же і швидкий електрон зафіксувати і вивчити просто.

Так ось, виявляється, при розпаді нейтрона народжуються в основному лівополяризовані електрони. Це означає, що з точки зору спостерігача, який залишився на місці нейтрона, що розпався і дивиться слідом електрону, той «обертається» навколо своєї осі проти годинникової стрілки. (Стрілки говорять про те, що представляти електрон у вигляді класичної твердої обертової кульки слід з великою обережністю. Ніякого обертання зовсім немає – інакше довелося б допустити, що поверхня електрона — що б тут не значило слово «поверхня» — рухається приблизно в тисячу разів швидше швидкості світла. Закони квантової механіки, однак, дають можливість електрону мати власний момент кількості руху – спін, тобто вести себе в реакціях так, як ніби він обертається.)

При дзеркальному відображенні лівий гвинт переходить в правий, а ліво-поляризований електрон — в право-поляризований. Це означає, що в задзеркальному світі розпад нейтрона буде виглядати інакше, ніж в нашому. І закони слабкої взаємодії, що визначають картину розпаду, теж виявляються несиметричними щодо дзеркального відображення. Залишається додати, що порушення дзеркальної симетрії називають ще незбереженням парності. Втім, якщо електрон, як ми бачили, не може обертатися, хоча і має спін, то і парність в квантовій механіці не має відношення до того, ділиться якесь число на два чи ні.

Про нейтральні точки і про модель Вайнберга-Салама

Незбереження парності, тобто порушення дзеркальної симетрії, так довго приховувалося від фізиків просто тому, що слабка взаємодія була вивчена дуже погано. Варто було уважніше вдивитися в слабкі процеси, як стало ясно, що дзеркальна симетрія порушена. Причому порушена сильно, стовідсотково, так що від самого поняття дзеркальної симетрії не залишається ніякого сліду.

Як вже говорилося, в сильній та електромагнітній взаємодіях, в мільярди разів більш інтенсивних, ніж слабка, парність зберігається. У тих подіях мікросвіту, де беруть участь всі три ці види взаємодії, розгледіти порушення парності важче, ніж в гуркоті канонади вловити писк комара. Тому треба було перш за все залишити «комара» без «гармат» – конкуренток, спостерігати процеси, що йдуть тільки за рахунок слабкої, без всякої домішки сильної та електромагнітної взаємодії. Розпад нейтрона належить якраз до числа таких «чистих» процесів.

Барков же і Золотарьов у своєму експерименті шукали порушення парності, якраз навпаки, на «гуркітливому тлі» потужних суперників слабкої взаємодії.

Виникає природне запитання: а навіщо? Навіщо свідомо ускладнювати собі життя, вивчаючи процеси, де ефекти слабкої взаємодії проявляються в сьомому знаку після коми і можуть бути виловлені лише в результаті копітких багаторічних досліджень? Чи не простіше продовжувати вивчення чистих слабких процесів, де фону немає?

Природна відповідь – тривіальне твердження, що будь-який новий, не зроблений раніше експеримент цінний для науки. Навіть якщо з його результатів не випливає карколомних висновків. Цінність експерименту Баркова і Золотарьова, однак, не тільки в новизні. Щоб зрозуміти причини, що спонукали їх взятися за свою нелегку працю, треба поговорити трохи про теорію.

Повернімося знову до розпаду нейтрона, який перетворюється в протон, випускаючи електрон і антинейтрино.

Нейтрон і протон — близькі за своїми властивостями частинки. У них майже однакова маса, вони однаково охоче беруть участь в сильних взаємодіях. По суті, єдине, чим протон і нейтрон розрізняються між собою,— це їх електромагнітні властивості: у протона є електричний заряд, а у нейтрона його немає. Можна сказати, що протон і нейтрон — це різні зарядові стани однієї і тієї ж частинки (така частка має спеціальну назву — нуклон). За аналогією (майже повною) електрон і нейтрино також можна уявити собі як різні зарядові стани однієї і тієї ж частинки. При розпаді нейтрона нуклон «тільки» змінює свій зарядовий стан, тим самим відбувається перерозподіл зарядів між частинками різного сорту. Кажуть, що за розпад нейтрона відповідальні заряджені струми.

Поєднання слів «заряджений струм» може здатися безглуздим. Особливо якщо сказати, що звичайний електричний струм, який тече по проводах, зовсім не заряджений, а нейтральний, оскільки тут електрони мирно течуть, ні в що не перетворюючись і не змінюючи свого заряду. У фізиці елементарних частинок процесом із зарядженими струмами називають такий, в якому частинки змінюють свої зарядові стани.

Говорячи більш чітко, в процесі, обумовленому зарядженими струмами, закон збереження електричного заряду виконується тільки в цілому, для всіх частинок разом, і не виконується для частинок одного певного сорту. Всі такі процеси йдуть тільки «слабо», без сильного або електромагнітного фону.

Ось такі і тільки такі процеси розглядалися в так званій феноменологічній теорії слабкої взаємодії, запропонованій вперше Енріко Фермі в 1934 році і яка прийняла свій остаточний вигляд в кінці п’ятдесятих років.

Вона цілком виправдовувала свою назву, добре описуючи ті явища («феномени»), які спостерігалися в експерименті.

Але не більше того. Передбачити що-небудь нове, заглянути в ще не досліджену на прискорювачах область вона не допомагала. Навіть гірше: при екстраполяції до енергій в кілька сотень Гев феноменологічна теорія приводила до свідомо абсурдних ситуацій і тому явно потребувала виправлення. Було навіть приблизно ясно, якого роду виправлення потрібно зробити.

Але працюючу послідовну теорію вдалося сформулювати тільки в 1967 році — С. Вайнбергу і незалежно від нього А. Саламу.

Основна риса їх моделі слабких взаємодій – це існування гіпотетичних частинок, важких проміжних бозонів, що грають для слабких взаємодій приблизно ту ж роль, що і фотон для електромагнітних взаємодій.

За старою теорією розпад нейтрона, як ми вже бачили, відбувається «єдиним махом». За теорією Вайнберга-Салама він йде в два прийоми: на першому етапі нейтрон перетворюється в протон, випускаючи при цьому віртуальний (існуючий мізерно малий — навіть для квантової механіки — час) проміжний негативно заряджений (ось він, заряджений струм!) бозон, на другому етапі цей бозон, в свою чергу, розпадається на електрон і антинейтрино.

Однак в теорії Вайнберга-Салама, крім заряджених бозонів W+ і W-, з необхідністю математичної логіки з’являється також нейтральний бозон Z0, який трошки важче зарядженого і важить приблизно 85 Гев (маса заряджених бозонів 75 Гев). З цього випливає, що можливі слабкі процеси не тільки з зарядженими, але і з нейтральними струмами. Але ні Z0 бозона, ні нейтральних струмів в експерименті на перших порах ніхто не бачив. А позбутися від них в теорії ніяк не вдавалося, і це довго вважалося головним її недоліком. Поки, нарешті, нейтральні струми не були відкриті в процесах розсіювання нейтрино в Церні (Європейський центр ядерних досліджень в Женеві).

Модель Вайнберга-Салама давала детальні передбачення для різних процесів з нейтральними струмами. Як тільки накопичилися хороші експериментальні дані по таким процесам, їх порівняли з теоретичними прогнозами і, до загального задоволення, переконалися в блискучій згоді. Так через десять років відбулася перша перевірка досвідом теорії Вайнберга-Салама.

Хоча реакція розсіювання нейтрино і відноситься до числа типових процесів з нейтральними струмами, у неї є все ж одна перевага, що полегшує завдання експериментаторів. Цей процес – чисто слабкий, оскільки йде за участю нейтрино, які відчувають тільки слабкі взаємодії.

Куди складніше йде справа з іншими процесами, де проявляються нейтральні струми. Вони йдуть за участю електронів, які схильні не тільки слабким, але і електромагнітним силам. І вивчати поведінку електронів в слабких взаємодіях за умови потужного електромагнітного фону надзвичайно непросто. А шкода, адже тільки так можна було провести другу незалежну перевірку теорії Вайнберга-Салама, довівши її справедливість і щодо електронів.

В цьому і полягала мета експерименту Баркова і Золотарьова.

Як ставився дослід

З відкриттям нейтральних струмів сфера прояву в нашому світі слабкої взаємодії надзвичайно розширилася. Тепер ми знаємо: всякий раз, коли ми запалюємо лампочку, включаємо телевізор або просто сідаємо на стілець, до електромагнітної взаємодії домішується також і слабка. Питання полягає в тому, як виявити її присутність.

Читач, напевно, вже здогадався, що єдиним безперечним доказом могло б стати незбереження парності. Адже саме ця властивість різко відрізняє слабку взаємодію від електромагнітної. Але як виявити такий ефект? Прості розрахунки показують, що при енергіях в кілька електрон-вольт, характерних для електронів в атомі, слабка взаємодія за інтенсивністю на шістнадцять порядків менша електромагнітної. Виміряти таку малу величину набагато складніше, ніж, скажімо, відстань від Землі до Місяця з точністю до мікрона.

І, тим не менш незбереження парності, пов’язане з електронним слабким нейтральним струмом, вперше вдалося побачити, і це зробили Барков і Золотарьов саме в атомній фізиці. Ідея в загальних рисах така.

Відомо, що рівні енергії в атомі квантуються. Тобто енергія атома може приймати значення тільки з деякого строго визначеного набору. Стан атома з найнижчою енергією називається основним. Всі інші стани називаються збудженими. Збуджені атоми речовини можуть випускати світлові кванти, переходячи при цьому на більш низькі енергетичні рівні. Набір частот випромінюваного світла, характерний для даної речовини, називається його спектром, а самі частоти — спектральними лініями. Не всі лінії в спектрі однакові. Одні переходи з рівня на рівень трапляються надзвичайно часто — їх називають дозволеними, і те ж ім’я носять відповідні лінії спектру. Інші переходи надзвичайно рідкісні, і за те іменуються забороненими або навіть сильно забороненими (заборона тут, як бачите, не абсолютна).

І ось для сильно заборонених ліній ефект незбереження парності повинен проявлятися помітніше, ніж для дозволених, оскільки тут набагато слабкіше електромагнітний фон, тут-то є повний сенс спробувати їх виявити.

Незбереження парності призводить до того, що світло, яке випромінюється атомами набуває циркулярну поляризацію. Це буквально те ж саме, що і згадана раніше поляризація електрона. Тільки «закрученими» тепер виявляються фотони. Неважко зрозуміти, що якщо світло має, скажімо, ліву «закрутку», тобто ліво-циркулярно-поляризовану, то при дзеркальному відображенні воно перейде в право-циркулярно-поляризовану. Це і буде означати незбереження парності.

Але як виявити, що світло циркулярно поляризоване? Виявилося, що найкраще це робити непрямим методом — по оптичній активності речовини.

Що таке оптична активність?

Якщо в склянці з водою розмішати кілька ложок цукрового піску і висвітлити склянку лінійно-поляризованим світлом, в якому змішані фотони обох по-різному закручених сортів, то цей розчин поверне площину поляризації світла, площину, в якій відбуваються коливання вектора електричного поля. Молекули цукру дзеркально несиметричні (всі вони «рукавички тільки з правої руки») і право-циркулярно-поляризоване світло розсіюють інакше, ніж ліве. Те ж явище можна спостерігати і в чистій воді — досить стакан з нею помістити в магнітне поле. Молекули води зазвичай дзеркально симетричні, але магнітне поле цю симетричність збиває, в результаті поляризація, що проходить через воду світла повертається. Цей ефект був відкритий Фарадеєм в пору, коли світло розглядали ще як коливання частинок ефіру.

Здатність речовини викликати такий поворот і називається оптичною активністю. Стандартна теорія, що не враховує слабких нейтральних струмів, пророкує, що без зовнішніх магнітних полів переважна більшість речовин оптичною активністю володіти не буде. Але незбереження парності, викликане слабкими взаємодіями, призводить до того, що і в цих умовах оптична активність повністю не зникає. Як вже говорилося, шукати цей ефект найкраще для сильно заборонених ліній. За розрахунками теоретиків, тут найбільш підходять пари деяких важких металів, таких, як вісмут і талій.

Експеримент Баркова і Золотарьова полягав у вимірюванні оптичної активності парів вісмуту на деяких сильно заборонених лініях.

Груба схема експерименту була така. Промінь лазера, налаштованого на частоту однієї з заборонених ліній вісмуту, йде спочатку через поляризатор. Потім той же промінь проходить близько метра уздовж кювети з парами вісмуту, нагрітими до 1200°С, і на виході потрапляє в інший поляризатор, повернутий щодо першого на 90°.

Перший поляризатор надав фотонам такий напрямок коливань, що жоден з них не повинен пробитися через поляризатор номер 2 — якщо тільки в парах вісмуту по дорозі не відбудеться нового повороту площини поляризації хоча б частини фотонів. Такий поворот, однак, відбувається, і світло все-таки виходить з приладу і фіксується фотомножниками.

Що побачили у Стенфорді і не змогли побачити в Оксфорді і Сіетлі

У середині сімдесятих років теоретики почали розбирати саму можливість такого експерименту з парами вісмуту. Можливість провести кількісне порівняння теорії з експериментом зробило дослід з вісмутом таким важливим і цікавим.

Подальша історія може задовольнити будь-якого знавця пригодницької літератури. Шукати в експерименті обертання площини поляризації у вісмуті почали одночасно дві групи: англійська з Оксфордського університету і американська з Університету в місті Сіетлі.

Групи приступили до роботи, вдосконалюючи свої установки і поступово підвищуючи точність. У наукових журналах з’явилися статті: ефекту немає на рівні десяти «Вайнбергів» (тобто немає вдесятеро більшого ефекту, ніж пророкує теорія); ефекту немає на рівні п’яти «Вайнбергів»…

Вирішальний прорив спробували зробити групи, які збільшили точність… і не побачили ефекту на рівні однієї п’ятої «Вайнберга» (статті англійської та американської груп надійшли до редакції журналу «Physical Review Letters» в один і той же день і були опубліковані в одному номері).

Новина ця була досить сумною. Якщо повірити в неї, то з моделлю Вайнберга слід було попрощатися. І справді, в той час (1977 рік) деякі так і подумали. З’явилися роботи, що пропонували різні модифікації моделі Вайнберга-Салама, в яких ефект був відсутній або був значно менше, ніж в стандартній моделі. Всі ці модифікації були досить потворні і занадто явно носили характер підгонки рішення до відомої відповіді.

Наступна важлива сенсація припадає на літо 1978 року. Вона прийшла з американського міста Стенфорда. Там був зроблений зовсім інший експеримент. У Стенфорді вивчалися розсіювання високоенергічних поляризованих електронів на ядрах важкого ізотопу водню — дейтерію. Виявилося при цьому, що результати експерименту трохи залежать від того, як — за годинниковою стрілкою або проти неї — обертаються поляризовані електрони. Така залежність означала незбереження парності.

Розсіювання електронів на протонах – це той же нейтральний струм, що і в атомному експерименті, тільки енергії тут значно вище.

Автор: А. Смолін.