Невловиме нейтрино

У мікросвіті, де предметом досліджень є так звані елементарні частинки, фізик зустрічає багато несподіванок. І, безумовно, найдивовижніша елементарна частинка – це нейтрино. Не так просто дати чітке визначення елементарної частинки. Домовимося називати так мікрооб’єкти, структура яких поки зовсім не відома. Згідно з цим визначенням атоми не є елементарними частками (адже доведено, що вони складаються з електронів і атомних ядер). Те ж можна сказати про атомні ядра, які складені з нуклонів (нейтронів і протонів). Нейтрино ж повністю виконує вимогу, що пред’являється на «здобуття» імені елементарної частинки: про його структуру не відомо рівно нічого.

А дивовижні властивості нейтрино найкраще виражаються в його приголомшливій проникаючій здатності: воно може безперешкодно пронизувати величезні товщі речовини, скажімо, чавунну плиту, товщина якої в мільярди разів перевищує відстань від Землі до Сонця!

Тут у читача постає питання: як же можна зловити цю невловиму частку ? І взагалі як можна стверджувати, що вона існує? На це абсолютно законне питання ми відповімо пізніше. Поки досить сказати, що величезна проникаюча здатність нейтрино пояснюється надзвичайно слабкою взаємодією його з іншими елементарними частинками. Про характер таких взаємодій і треба розповісти, перш за все.

СИЛЬНІ, ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ, СЛАБКІ

Читачеві знайомі різні сили. Але, можливо, він ніколи не замислювався над тим, що типів взаємодії, що глибоко розрізняються за природою, дуже мало. Якщо не вважати тяжіння, яке відіграє істотну роль тільки в присутності величезних мас, то відомі лише три види взаємодій: сильні, електромагнітні і слабкі. Електромагнітние взаємодії знайомі фізиці давно. Завдяки їм рухомий нерівномірно електричний заряд (скажімо, електрон в атомі) випускає електромагнітні хвилі (наприклад, видиме світло). З цим класом взаємодій пов’язані також всі молекулярні явища – поверхневий натяг, капілярність, адсорбція, плинність. Електромагнітні взаємодії, теорія яких блискуче підтверджується досвідом, глибоко пов’язані з електричним зарядом елементарних частинок.

Тепер про сильні взаємодії. Вони стали відомі тільки після розкриття внутрішньої структури атомного ядра. У 1932 році було знайдено, що атомне ядро складається з нуклонів (нейтронів і протонів). І саме сильні взаємодії, що з’єднують нуклони в ядрі – відповідають за ядерні сили, які, на відміну від електромагнітних, характеризуються дуже малим радіусом дії (близько 1013 см) і великою інтенсивністю.

Крім того, сильні взаємодії з’являються при зіткненнях часток високих енергій за участю так званих пі- і К-ме- зонів, а також гіперонів. Інтенсивність взаємодій зручно оцінювати за так званою довжиною вільного пробігу частинок в деякій речовині, тобто середній величині шляху, який частинка може пройти в цій речовині до руйнуючої. Ясно, що чим більше довжина вільного пробігу, тим менш інтенсивна взаємодія.

Якщо розглядати частки дуже високої енергії, то зіткнення, обумовлені сильними взаємодіями, характеризуються довжиною вільного пробігу частинок, рівний по порядку величини десяткам сантиметрів у міді або залізі. Інша справа при слабких взаємодіях.

Як ми вже сказали, нейтрино володіє колосальною проникаючою здатністю. Довжина його вільного пробігу в щільній речовині вимірюється в астрономічних одиницях. Це відображає малу інтенсивність одної типово слабкої взаємодії – між нейтрино і нуклонами.

Втім, не тільки нейтрино відчувають слабкі взаємодії. Така властивість характерна і для всіх інших елементарних частинок. Нейтрино же відрізняється тим, що не схильне ні сильній, ні електромагнітній взаємодії (у нейтрино немає електричного заряду). Таким чином, нейтрино – почесний представник частинок, що зазнають слабкі взаємодії в чистому вигляді.

Нам залишається навести деякі приклади процесів, обумовлених слабкими взаємодіями. Це, звичайно, рідкісні зіткнення нейтрино з електронами і нуклонами при його проходженні через речовину. Зареєструвати такі події надзвичайно важко. Але є ряд «слабких» процесів, більш доступних дослідженню. Йдеться про численні спонтанні (самовільні) перетворення елементарних частинок. Виявляється, що майже всі такі перетворення обумовлені слабкими взаємодіями. І краще за інших вивчений так званий бета-розпад нуклона, коли одне ядро переходить в інше, випускаючи електрон і нейтрино.

Треба сказати, що будь-яке спонтанне перетворення характеризується деяким часом (його позначають грецькою буквою – тау), визначальним середню тривалість життя частинок до розпаду. Процеси, викликані слабкими взаємодіями, часто називають «повільними», так як час для них відносно великий. Читач, правда, може здивуватися тому, що явище, що відбувається, скажімо, за 10 в 10 ступені (одну десятимільярдну частку) секунди, класифікується як повільне. Але все пізнається в порівнянні. У світі елементарних частинок такий проміжок часу, дійсно, вельми тривалий.

У мікросвіті природною одиницею довжини буде пробіг, рівний радіусу ядерних сил (10 в -13 ступені см). А так як елементарні частинки високої енергії мають швидкість, близьку до швидкості світла (порядку 10 в 10 ступені см./сек), то «нормальний» масштаб часу для них складе 10 в -23 ступені сек. Такий час характерний для сильних взаємодій. Час же 10 в -10 ступені сек. для «громадян» мікросвіту набагато довше, ніж для нас з вами весь період існування життя на Землі.

ЧАСТИНКИ І АНТИЧАСТИНКИ

Поняття античастинки було введено більше 80 років тому англійським фізиком Дираком . Шляхом глибоких теоретичних досліджень він прийшов до висновку про те, що поряд із звичайними електронами, що володіють негативним електричним зарядом, повинні існувати антиелектрони, наділені зарядом позитивним. Цей «антиелектрон» або позитивний електрон (позитрон, як його називають) з масою, тотожною масі звичайного негативного електрона, був відкритий в 1932 році.

Теоретичний висновок про антиелектрон справедливий і для інших елементарних частинок. У природі має місце дуже красива симетрія, яка в останні кілька років була остаточно підтверджена низкою фундаментальних дослідів. Кожній елементарній частинці відповідає її двійник, що має однакову масу і протилежний знак заряду.

Це формулювання, правда, не повне. Елементарні частинки характеризуються не тільки електричним зарядом. Існують також інші типи «заряду», що не мають відношення до електромагнітних властивостей частинок. Такі неелектричні типи заряду поки ще не обговорюються в елементарних підручниках фізики, але, безсумнівно, незабаром вони стануть надбанням всіх любителів науки.

Відмінна властивість зарядів всіх типів полягає в тому, що вони є квантованими, тобто можуть мати тільки дискретні величини. У різних перетвореннях вони зберігаються точно так само, як електричні. Саме той факт, що деякі (на перший погляд можливі) перетворення часток насправді не спостерігаються, змусив ввести поняття різних зарядів. Незнищенність заряду (будь-якого типу, а не тільки електричного) забороняє ці перетворення.

Наприклад, ми знаємо, що нуклони ніколи не розпадаються тільки на «легкі» частинки. Чому? Тому, що всякий нуклон має так званий баріонів заряд (крім того, що протон має ще й електричний), а ніяка комбінація легких частинок баріонів заряду не має.

Забігаючи вперед, доведеться вже зараз сказати читачеві, що нейтрино і інші частинки, іменовані лептонами, наділені третім типом заряду – «нейтрино-зарядом». Незнищенність його також обмежує число можливих перетворень легких частинок. У зв’язку з цим треба відзначити ось що. Кожній елементарній частинці відповідає античастинка зі значеннями всіх зарядів, однаковими за величиною, але протилежними за знаком. Значить, навіть електрично нейтральна частинка може відрізнятися від своєї античастинки. Приклад – нейтрон, який є електрично нейтральним, але має відмінну від нуля величину баріонів заряду.

Звичайно, якщо всі заряди даної частинки дорівнюють нулю, то частка тотожна зі своєю античасткою; вона істинно нейтральна, тобто позбавлена всіх зарядів. Таких істинно нейтральних частинок в природі відомо тільки чотири: фотон, нейтральна півонія, нейтральний каон-1 і нейтральний каон-2.

Відзначимо, нарешті, характерну властивість частинок і античастинок: стикаючись одна з одною, вони, як кажуть фізики, «анігілюють» – перетворюються на інші частинки, сумарний заряд яких дорівнює нулю. Адже сумарний заряд (електричний, баріонний і нейтринний ) пари « частинка-античастинка» дорівнює нулю, і ніщо не забороняє перетворення цієї пари в систему частинок теж з сумарними зарядами, рівними нулю. Зокрема, при анігіляції завжди є можливість випускання тільки фотонів.

Далі буде.

Автор: Б. Понтекорво.