Физика нейтрино

твий произошло крупнейшее событие - было открыто несохранение четности.

В классической механике известны три закона сохранения: энергии,

импульса и момента импульса. Как было доказано Э. Нетер (1918 г.), эти

законы являются следствиями симметрии пространства и времени.

Уравнения движения тел не меняются, если перенести начало отсчета

времени. Результаты опыта останутся теми же, т.е. время обладает оп-

ределенной симметрией - оно однородно. Ни один его промежуток ничем не

выделен по отношению к другим. Из этого, по теореме Нетер, следует закон

сохранения энергии. Перенос начала координат в пространстве не меняет

физических результатов. Из однородности пространства вытекает закон

сохранения импульса.

Кроме того, пустое пространство изотропно. Это означает, что в нем

нет выделенных направлений, все направления равноправны. Поворот ко-

ординат на любой угол не повлияет на результат опыта. Из изотропности

пространства следует закон сохранения момента импульса. Можно провести еще

одно преобразование - сразу изменить направление всех координатных осей на

противоположное. Это эквивалентно тому, что мы отражаем происходящий

процесс в зеркале.

Существовала уверенность, что такое отражение тоже ничего не

изменит.

То есть физическое явление или результаты эксперимента останутся

прежними. Конкретная величина при таком преобразовании может, и изменит

знак. Любой вектор - скорость, импульс, сила, напряженность

электрического поля и т.п. - меняет знак при отражении на противоположный.

Существуют и псевдовекторы - момент импульса (в частности, спин),

магнитная индукция и т.п. Псевдовекторы знака не меняют, поскольку их

направление связано с направлением вращения (массы, электрического заряда)

по или против часовой стрелки. А при отражении в зеркале направление

вращения не изменяется. Векторы и псевдовекторы

входят в

- 23 -

формулы, описывающие какие-либо процессы, таким образом, что при "переходе

в зеркальный мир" результаты этих процессов не меняются.

Пока речь шла об электромагнитном и сильном взаимодействиях, все

это строго выполнялось. Никакие опыты не помогли бы отличить "наш" мир

от "зеркального", правое направление от левого.

В квантовой механике ( а именно для нее важно такое

"скачкообразное" преобразование пространства, как отражение) появляется

новый закон сохранения. Он носит название закона сохранения

пространственной четности и является следствием зеркальной симметрии

пространства (Е. Вигнер, 1927 г.).

Все было ясно вплоть до 1956 г. когда необычное поведение К -

мезонов заставило усомниться в том, что для слабого взаимодействия закон

сохранения пространственной четности выполняется столь же строго, как для

электромагнитного и ядерного. Эти "сомнения" были опубликованы двумя

американскими физиками, китайцами по национальности, Ли Тзун-дао и

Янг Чжень-инем, "устное" же сомнение впервые было высказано Р. Фейманом на

Рочестерской конференции 1956 г. В своей статье они предложили возможные

схемы опытов, для проверки этой гипотезы, и сразу же такая проверка начала

осуществляться несколькими группами экспериментаторов.

Первой добилась группа, работающая под руководством Ву Цзянь-сюн

из Колумбийского университета (США).

Идея опыта состояла в следующем. Если ядра атомов вещества, спо-

собного к [pic]-распаду, выстроены таким образом, что их спины направлены

в одну сторону, то вылетающие из них электроны должны с одинаковой

вероятностью лететь как по, так и против спина ядер. Так гласит закон

сохранения четности. Если же вероятности вылета в противоположных

направлениях окажутся различными, закон будет нарушен. Ведь если в

нашем мире существует такое явление, как преимущественный вылет частиц по

одному из направлений ( скажем, против спина), то при пространственном

отражении процесса спин ядра не измениться, а вектор скорости переменит

знак и в зеркальном мире, преимущественный вылет электронов будет

происходить по спину ядра.

Появиться возможность отличить наш мир от зеркального, а это про-

тиворечит закону сохранения четности.

Опыты потребовавшие применения самой современной экспериментальной

техники, полностью подтвердили гипотезу Ли и Янга.

- 24 -

Сохранение четности нарушалось в процессах, которыми управляло слабое

взаимодействие.

Почти сразу же выяснилось, что это открытие самым непосредственным

образом коснулось нейтрино. Оказалось, что при рассмотрении решения

уравнения Дирака для частицы с нулевой массой при условии нарушения

пространственной четности, то такая частица должна быть полностью по-

ляризована - ее спин всегда и строго направлен по (или против) импульса.

Соответствующая ей анитчастица отличается противоположным знаком

поляризации.

Если раньше уравнение Дирака для нейтрино включало четыре различ-

ных состояния, четыре компоненты (частица и античастица, и у каждой два

возможных направления спина - по и против импульса), то теперь число

состояний уменьшилось до двух. в соответствии с этим новая теория получила

название двухкомпонентной. В ее создании приняли участие физики -

теоретики из разных стран Л. Ландау (СССР), А. Салам (Пакистан), Т. Ли и

Ч. Янг (США). Поставленные опыты подтвердили, что спин антинейтрино

направлен по импульсу частицы, а нейтрино - против.

Поведение полностью поляризованной частицы напоминает движение

винта или буравчика, если уподобить спин вращению рукоятки, а направление

импульса - направлению закручивания винта. Так же, как у частицы,

поступательное и вращательное движение винта жестко связаны. При этом

аналогом антинейтрино является винт с правой резьбой, закручивающийся по

часовой стрелке, а нейтрино - винт с левой резьбой.

При отражении в зеркале, нейтрино изменит знак импульса на

обратный, а направление спина не измениться. В результате из левого винта

мы получим правый, из частицы античастицу. Раньше это запрещал закон

сохранения пространственной четности, теперь ограничение было снято.

Образовывалась явная не симметрия между "нашим" и "зеркальным"

мирами.

Л.Д. Ландау предположил, что слабое взаимодействие обладает более

сложным типом симметрии, чем просто зеркальное отображение. Нашему миру

симметричен не просто зеркальный мир, а зеркальный антимир, в ко- тором все

частицы заменены на античастицы, нейтрино - на антинейтрино. Только такие

миры неразличимы.

В теории двухкомпонентного нейтрино отрицательный результат опытов

Дэвиса вытекал из поляризации. Действительно, чтобы вызвать процесс на

хлоре-37, требовалось нейтрино "левый винт", а реактор

излучает

- 25 -

антинейтрино - "правый винт". И реакцию обратного [pic]- распада этим час-

тицам так же невозможно вызывать, как завинтить такой винт в отверстие с

левой резьбой.

Следует отметить еще, что степень поляризации легких частиц e- (e+)

и [pic]([pic]) оказались тесно связанной с наличием у них массы.

Действительно, если полная поляризация нейтрино есть фундаментальное

внутреннее свойство частицы, отличающее [pic]от [pic], то такая частица

обязана (!) иметь нулевую массу и двигаться со скоростью V> V[pic] ( но в

тоже время V < c ), и в этой системе нейтрино полетит в обратную сторону,

а направление спина частицы не изменится. Это будет означать, что

внутреннее свойство частицы зависит от системы отсчета, чего быть не

должно. Поэтому скорость нейтрино V[pic] должна быть точно равна скорости

света с и масса его m[pic] равна нулю.

Насколько точно можно считать нейтрино полностью поляризованной

частицей, насколько строго подтверждаются двухкомпонентная теория?

Результаты прямых опытов (М. Гольдгабер и др., 1958 г.) давали

возможность отклонения поляризации от полной вплоть до 20%. На осно- вании

более поздних экспериментов можно было считать, что этот диапазон не более

10% Что касается опытов Дэвиса, то, как мы видели, они допускали 10%

отклонения. Это в том случае, если отличие нейтрино от антинейтрино

объяснялось бы только поляризацией частиц.

Вместе с тем красота двухкомпонентной теории оказывала сильнейшее

влияние на общественно физическое мнение. И действительно, с 1957 до 1980

г. не было ни одного опытного факта, который противоречил бы полной

поляризации нейтрино.

В институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) в

Москве группа ученых В.А. Любимов, В.З. Нозик, Е.Ф. Третьяков и В.С.

Козик в 1980 г. завершила чрезвычайно трудный пятилетний цикл исследований

и пришла к выводу, что масса электронного антинейтрино не равна 0, а

лежит в пределах от 14 до 46 эВ.

Обнаруженная масса [pic]е приблизительно в 20 000 раз меньше, чем

масса электрона, и на процессы [pic]- распада, где выделяется энергия ~

106 эВ, практически влияния не оказывает.

Если результаты эксперимента ИТЭФ правильны, то весьма вероятно,

что и [pic][pic], о которых речь пойдет

ниже, также имеют массы и,

- 26 -

возможно, существенно большие. Современные оценки m[pic] < 0,65МэВ,

m[pic]< 250 МэВ.

Теория двухкомпонентного нейтрино, в котором масса нейтрино должна

быть тождественно равной 0, нарушиться, и поляризация будет неполной, хотя

отклонение будет весьма мало. Кроме того, из этого вытекает множество

других следствий, например связь между массой нейтрино и плотностью

вещества во вселенной.

- 27 -

4. ТИПЫ НЕЙТРИНО.

Число реакций, идущих с участием нейтрино, значительно расширилось

после того, как началось изучение распадов космических частиц и частиц,

рождающихся в опытах на ускорителях высоких энергий.

Рис. 3. Следы процесса [pic]+ [pic] [pic]+ [pic] e+ в фотоэмульсии.

Обратимся для примера к рис.3, где приведена микрофотография рас-

пада [pic]+ [pic] [pic]+ [pic] e+, зарегистрированного в специальной

эмульсии.

В точке 1, [pic]+-мезон останавливается и распадается. Отрезок

между точками 1 и 2 - это след родившегося мюона. Длина его следа на

фотографиях всегда одинакова, из чего можно сделать вывод, что энергия

мюонов, образующихся при распадах [pic]- мезонов, постоянна. Закон

сохранения импульса требует, чтобы в сторону, противоположную движению,

[pic] вылетало "что-то", что компенсирует его импульс а постоянство

энергии мюонов и отсутствие следов в эмульсии говорят, что это всего

одна нейтральная частица.

Поскольку спин [pic]+- мезона равен нулю, мюона - [pic]/2, то

согласно закону сохранения момента импульса спин вылетающей частицы должен

быть полуцелым. Дальнейшие исследования показали, что распад [pic]+ -

мезонов выглядит так: [pic][pic] [pic] [pic] + [pic]([pic]).

- 28 -

Теперь обратимся к точке 2. Здесь мюон останавливается и

распадается. При этом вылетает позитрон, который может иметь разную

энергию - от фотографии к фотографии длина его следа меняется. Из этого

следует вывод о присутствии в распаде нескольких нейтральных частиц.

Окончательно- [pic] [pic] е[pic] + [pic] + [pic].

Можно привести примеры и других распадов, идущих с участием нейт-

рино: К[pic] [pic] [pic] + [pic]([pic]), K0 [pic] [pic]- + е+ + [pic]

и т. п.

Вместе с тем было обращено внимание на то, что часть процессов, ко-

торые, казалось бы, не нарушали никаких законов сохранения, не наблю-

дались. Так, для [pic] - мезона энергетически возможно несколько схем

распада:

[pic]+ [pic] е+ + [pic] +

[pic] , (7)

[pic]+ [pic] е+

+[pic], (8)

[pic]+ [pic] е+ + е+ + е-

(9)

Осуществлялась же только одна - первая. Теория не находила удав-

летворительного объяснения этому факту. Ведь процесс (8) можно предс-

тавить себе как некое продолжение процесса (7). При этом [pic] и [pic]

исчезают - аннигилирую в момент своего рождения, как частица и античастица,

а вылетающий позитрон излучает [pic]- квант. Расчетная вероятность W-

распада [pic]+ [pic] е+ + [pic] по отношению к распаду [pic]+[pic] е+ +

[pic] + [pic] составляет 10-3 - 10-4, но запретов на его существование

нет.

Тем не менее, поиски процесса (8) не привели к положительным ре-

зультатам. Со временем ограничение на вероятность все уменьшались:

меньше 10-4, меньше 10-5, 10-7, 10-10 (1979 г.). Природа препятствовала

мюонну распадаться на электрон и [pic]- квант, запрещала аннигилировать

[pic] и [pic]. Попытки объяснить запрет реакций (8) и (9) привели к

идее о существовании двух типов нейтрино. Одно сопутствует электрону -

электронное нейтрино [pic]е, другое - мюону, мюонное нейтрино [pic][pic]. В

распаде нейтрона и [pic]-мезона возникают разные нейтрино

n [pic] p + e- +[pic]е[pic],

- 29 -

[pic]- [pic] [pic]- + [pic][pic],

а реакцию распада[pic]-мезона следует писать в виде:

[pic]+ [pic] е+ +

[pic][pic] + [pic]е .

Гипотеза должна была быть проверена экспериментом.

Опыт по изучению различия (или единства) [pic][pic] и [pic]е был

первым нейтринным экспериментом поставленным на ускорителях высоких

энергий. Осуществить его предлагали несколько ученых - Б.М. Понтекорво,

М.А. Марков, М. Шварц. Выполнен этот эксперимент был впервые на Брукхей-

венском ускорителе (США) и через год в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных

исследований).

Идея опыта заключалась в следующем. Пучок протонов, разогнанных в

ускорителе, в определенный момент отклонялся мощным импульсом магнит- ного

поля. Он выходил из камеры ускорителя и попадал на мишень, в ко- торой при

взаимодействии протонов с веществом рождались быстрые [pic] - и К -

мезоны. Вылетев из мишени и распадаясь на лету в специальном про- летном

туннеле, мезоны излучали нейтрино и мюоны высоких энергий. Дальше пучок

попадал в слой стали общей толщиной около 13 м, где практически

поглощались все сильно взаимодействующие частицы ([pic]-, К-, [pic]-мезоны

и т.п.).

Мезоны, остановившиеся в защите, тоже излучали при распаде

нейтрино. Среди них и электронные, например при распаде мюонов. Но эти

нейтроны обладали существенно меньшей энергией, чем родившиеся на лету, и

не играли роли для проводившегося эксперимента. Если существуют два сорта

нейтрино, [pic][pic] и [pic]е , то ускоритель - практический чистый

источник [pic][pic].

Пучок нейтрино попадал в детектор, где во взаимодействиях с

веществом могли рождаться электроны и мюоны. Если электронные и мюоные

нейтрино неразличимы, то число зарегистрированных электронов и мюонов

должно было быть одинаковым. Но в опытах регистрировались практически одни

мюоны, и это служило прямым доказательством различия [pic][pic] и

[pic]е. Чуть позже эксперименты, поставленные на ускорителях, позволили

доказать

- 30 -

различие и нейтрино, сопровождающих [pic]+ и [pic]- -мезоны, то есть

различие мюонных антинейтрино и нейтрино.

В 1975 году в связи с открытием третьего заряженного лептона -

[pic]-лептона было введено еще одно нейтрино [pic]-нейтрино. Рождается

[pic]-нейтрино в распадах [pic]- лептона:

[pic]-[pic] [pic][pic] + [pic]- ,

[pic]-[pic] [pic][pic] + [pic][pic] + е- ,

а также в распадах мезонов, более тяжелых, чем [pic]-лептон.

Нейтрино во всех взаимодействиях с другими частицами в свою

очередь рождают заряженные лептоны только своего типа; с хорошей

точностью это проверено для мюонных нейтрино, наблюдаются процессы типа:

[pic][pic] + n [pic] [pic]- + p,

[pic][pic] + p [pic] [pic]+ + n

(Брукхейвен, 1962; ЦЕРН, 1964).

Все семейство нейтрино состоящее из электронного, мюонного, таонного

нейтрино и соответствующих антинейтрино относится к классу лептонов.

Класс лептонов (от греческого "мелкий, легкий") включает также электрон,

позитрон и мюоны обоих знаков. Заряженные лептоны участвуют в

электромагнитном и слабом взаимодействиях, нейтрино - только в слабом.

Для частиц, входящих в класс лептонов, введено правило, получившее

название закона сохранения лептонного заряда (основополагающие работы

принадлежат Я.Б. Зельдовичу, Е. Конопинскому и Х. Махмуду). Различие

между тремя типами нейтрино описывается тремя сохраняющимися (или

приближенно сохраняющимся) лептонными зарядами: электронным le, мюон- ным

l[pic] и таонным l[pic].

- 31 -

[pic]е [pic]e е- e+ [pic][pic]

[pic][pic] [pic]+ [pic]- [pic][pic] [pic][pic][pic][pic]

[pic]- [pic]+

le, 1 -1 1 -1 0 0 0

0 0 0 0 0

l[pic] 0 0 0 0 1 -1 1

-1 0 0 0 0

l[pic] 0 0 0 0 0 0

0 0 1 -1 1 -1

Для фотонов и адронов значения всех лептонных зарядов равны

0.Считается, что во всех процессах сохраняется неизменной сумма

лептонных зарядов. Например:

n [pic] p + e- +[pic]е[pic], (le, = 0 - 0 + 1 - 1).

Процессы распада мюона на позитрон и [pic]- квант (8) или на

электрон и два позитрона (9)

запрещены новым законом. В этом смысле он подобен закону сохранения

электрического заряда. Однако между двумя зарядами, электрическим и

лептонным есть существенное отличие: первый определяет степень участия

частицы в электромагнитных процессах, второй с взаимодействием лептонов

непосредственно не связан.

Внутри одной группы частиц разные лептонные заряды соответствуют

дираковскому подходу - частица и анитичастича отличаются знаком лептонного

заряда, и в реакциях их нельзя заменять одну другой. Введение лептонных

зарядов запрещает например, замену [pic]е на [pic][pic], т.е. переходы

между двумя группами лептонов. Однако существуют теоретические

обоснования для гипотезы о том, что закон сохранения лептонного заряда

является приближенным и, в частности, возможны взаимные переходы

различных типов нейтрино друг в друга - нейтринных осцилляций.

Впервые об осцилляциях говорилось в работах Б.М. Понтекорво в 1957

- 1958 гг., но идея была встречена без особого энтузиазма. Со временем

положение изменилось с открытием массы нейтрино и парадоксом солнечных

нейтрино, который будет рассмотрен ниже. Различные эксперименты,

проведенные для подтверждения или опровержения этого факта, дают пока

противоречивые результаты, от существования осцилляций (группа физиков

работавших во Франции, в Буже), до их отсутствия (группа Р. Мессбауэра).

Ответ на этот вопрос - дело ближайшего будущего.

В заключение важно отметить, что вопрос о числе типов нейтрино

остается открытым. Возможно, будут открыты еще и другие типы нейтрино.

- 32 -

Как уже отмечалось, нейтрино участвует только в электрослабом

взаи-действии. В 1979 г. три физика-теоретика С. Вайнберг, А. Салам и

Ш.Л. Глэшоу - были удостоены Нобелевской премии за создание единой

теории электромагнитных и слабых взаимодействий.

- 33 -

5. ДВОЙНОЙ [pic] - РАСПАД.

Еще одним интереснейшим процессом, связанным с нейтрино, является

двойной [pic] - распад. Существование двойного [pic] - распада

было предсказано чуть позже (1935 г.), чем существование нейтрино.

Интерес к нему то почти совсем затухал, то вспыхивал с новой силой.

Сейчас мы проходим через очередной максимум. Около десяти групп в

различных странах мира заняты поисками двойного [pic] - распада.

При обычном [pic] - распаде в ядре A (Z,N) один нейтрон

превращается в протон, ядро переходит в A (Z+1, N-1), испуская электрон и

антинейтрино.

В достаточно редких

случаях оказывается энергетически выгоден двойной [pic] - распад. При

нем переход выглядит следующим образом: A (Z,N) [pic] A (Z+2, N-

2). Он происходит непосредственно между этими ядрами, если энергия

промежуточного ядра А (Z+1, N-1) выше, чем у A (Z, N) (рис 4).

Рис. 4. Энергетические уровни трех ядер. Ядро Z, N способно испытывать

двойной [pic]- распад.

Из ядра, вылетают сразу два электрона. Встает вопрос: вылетают ли

при этом антинейтрино.

Действительно, превращение двух нейтронов в два протона может про-

исходить независимо:

- 34 -

n [pic] p + e- + [pic]e

n [pic] p + е- + [pic]e

двухнейтринный

Страницы: 1, 2, 3, 4