Ядро водорода-1 состоит из одного протона. Казалось, все другие ядра должны содержать два или более протонов, но вскоре выяснилось, что атомные ядра (не водорода-1, а другие) не могут состоять только из протонов. Протон имеет электрический заряд +1 и массовое число, примерно равное единице, и если бы ядра состояли только из протонов, их атомный номер должен был равняться атомному числу. Но это верно только для водорода-1. Массовые числа других ядер больше их атомных номеров.

Рассмотрим, например, ядро азота с массовым числом 14. Если бы оно состояло только из протона, его электрический заряд был бы равен +14 и, следовательно, атомный номер был бы тоже 14. В действительности же электрический заряд ядра азота +7 и ядро можно обозначить как ₇N¹⁴. Что же происходит с остальными семью единицами заряда?

Сначала физики думали, что ответ заключается в наличии в ядре электронов. Если бы ядро азота содержало 14 протонов и 7 электронов, суммарная масса семи электронов была бы достаточно маленькой, чтобы ею пренебречь, зато электроны компенсировали бы половину положительных зарядов. В качестве побочного эффекта наличие ядерных электронов сказалось бы также на способности ядра излучать электроны в виде β-частиц. Эта модель строения ядра потерпела крах в вопросе о спине частицы.

Известно, что при движении заряженных частиц создается магнитное поле. В 1928 году английский физик Поль Дирак пришел к выводу, что заряженные частицы движутся даже тогда, когда кажется, что они находятся в покое. Лучше всего предположить, что такие частицы вращаются вокруг своей оси, т. е. имеют определенный момент количества движения. Если частица вращается, она должна обладать энергией, которая поглощается определенными порциями, или квантами. Это справедливо для всех вращающихся тел (даже для планет вроде Земли). Величина кванта, однако, так мала по сравнению с полной энергией вращения Земли, что если бы Земля получила квант или даже триллион квантов энергии вращения, никто ничего не заметил бы. Но если бы такой квант энергии получила субатомная частица, ее вращение заметно изменилось бы, так как для субатомной частицы квант очень велик. Вращение частицы нельзя обнаружить никакими измерениями, но можно показать, что значения спина частицы соответствуют только целому числу квантов энергии. Величина момента количества движения вращающейся частицы чрезвычайно мала. Поэтому была придумана специальная шкала, по которой спин фотона был принят равным единице, по этой шкале протон и электрон имеют спин 1/2 каждый. Момент количества движения бывает направлен по и против часовой стрелки. Протон или электрон могут вращаться в том или ином направлении и, следовательно, их спин равен либо +1/2, либо -1/2.

Рассмотрим систему, содержащую несколько таких частиц. Если справедлив закон сохранения момента количества движения, суммарный спин системы должен быть равен сумме спинов отдельных частиц. Пусть система состоит из четырех частиц — протонов или электронов, или тех и других вместе. Если каждая частица имеет спин +1/2 или -1/2, суммарный спин равен нулю или целой величине. Суммарный спин любой системы, содержащей четное число частиц, каждая из которых имеет спин + 1/2 или -1/2, всегда равен нулю или целому числу.

Если же система состоит из нечетного числа частиц каждая из которых имеет спин +1/2 или -1/2, суммарный спин никогда не будет равен целому числу или нулю, а будет принимать только полуцелые значения.

Следовательно, если атомное ядро состоит из протонов и электронов, суммарный спин ядра (ядерный спин) зависит от полного числа всех частиц. Тогда, если ядро азота ₇N¹⁴ в самом деле состоит из 14 протонов и 7 электронов, общее число частиц 21, т. е. нечетное, и ядерный спин азота-14 должен быть равен 1/2.

Эксперименты, проведенные в 1929 году, показали, однако, что он равен целому числу.

Такое несоответствие было обнаружено и для некоторых других ядер. Стало совершенно ясно, что, если ядра содержат и протоны, и электроны, некоторые из них нарушают закон сохранения момента количества движения. Физики страшно не любят отказываться от закона, если есть возможность избежать этого, поэтому они бросились на поиски какого-либо другого объяснения строения ядра.

Предположим, что вместо пары протон — электрон в ядре присутствует одна незаряженная частица. Ее существование не влияет на закон сохранения электрического заряда, так как суммарный электрический заряд пары протон — электрон равен нулю, заряд заменяющей их частицы также равен нулю.

Разница заключается в моменте количества движения. Если протон и электрон имеют спины +1/2 или -1/2 каждый, суммарный спин будет равен +1, 0 или -1. Незаряженная же частица может обладать спином +1/2 или -1/2. Ядро азота-14 должно тогда состоять из протонов и незаряженных частиц.

Если масса нейтральной частицы равна массе протона, массовое число должно быть равно 14, а атомный номер (обусловленный одними протонами, так как только они обладают положительным зарядом) — семи, т. е. это был бы изотоп ₇N¹⁴. Только общее число частиц в ядре было бы 14, т. е. четным, вместо нечетного 21. Но при четном числе частиц, каждая из которых имеет спин 1/2, спин ядра азота должен быть целым числом. Таким образом, закон сохранения момента количества движения был бы спасен.

Трудность заключалась в самом отыскании этой незаряженной частицы.

Методы обнаружения субатомных частиц были основаны на их способности выбивать электроны из атомов, с которыми они сталкиваются, превращая их в ионы. Последние регистрируются разными приборами, используемыми физиками для изучения частиц.

Ионы образуются частицами, несущими любой тип заряда Отрицательно заряженная частица отталкивает отрицательно заряженные электроны и выбивает их из атома, вблизи которого она пролетает. Положительно заряженная частица притягивает электроны, вырывая их из ближайших к ней атомов. Незаряженная частица не взаимодействует с электронами, т. е. не образует ионов, а следовательно, ее нельзя обнаружить непосредственно. Тем не менее, существуют косвенные методы обнаружения невидимых обычно объектов. Если вы посмотрите в окно, вы увидите деревья, но не увидите воздуха. Однако если вы заметите, что листва на деревьях колышется, справедливо предположите, что она получает энергию за счет движения каких-то масс, которые вы не в состоянии видеть. Тщательно изучая поведение движущихся листьев, можно много узнать о свойствах воздуха, совсем не видя его.

Начиная с 1930 года ученые стали замечать, что при бомбардировке некоторых элементов α-частицами возникает излучение, которое нельзя обнаружить обычными методами. Если на пути такого излучения помещался парафин, из него вылетали протоны. Что-то сообщало протонам импульс. Переданный импульс был значительным, следовательно, излучение должно было состоять из очень тяжелых или очень быстрых частиц, а возможно, из тяжелых и одновременно быстрых. Английский физик Джеймс Чедвик сумел правильно истолковать полученные данные и в 1932 году заявил об открытии давно подозреваемой нейтральной частицы. Она была названа нейтроном. Нейтрон имеет массу, которая чуть-чуть больше массы протона; в настоящее время она принята равной 1,008655. У нейтрона нулевой электрический заряд и спин +1/2 или -1/2, т. е. именно те свойства, которые были необходимы, чтобы спасти закон сохранения момента количества движения.

Немецкий физик Вернер Карл Гейзенберг сразу же предположил, что ядро состоит из протонов и нейтронов, т. е. из двух разновидностей нуклонов, которые были упомянуты выше.

Поскольку массовые числа протонов и нейтронов равны примерно единице, массовое число любого ядра равно числу содержащихся в нем нуклонов. Атомный номер, представляющий собой электрический заряд ядра, равен числу протонов, так как только протоны несут электрический заряд. Ядро ₂Не⁴ состоит из 2 протонов и 2 нейтронов (т. е. из четырех нуклонов), ₈O¹⁶ состоит из восьми протонов и восьми нейтронов (т. е. из 16 нуклонов), ₉₀Th²³² состоит из 90 протонов и 142 нейтронов (т. е. из 232 нуклонов).

Все изотопы любого элемента имеют одинаковый атомный номер, следовательно, все они должны иметь одинаковое характерное число протонов в ядрах. Массовые числа у них разные, поэтому они должны иметь разное количество нуклонов. Разница эта возникает только из-за разницы числа нейтронов. Так, ядра двух изотопов углерода, ₆С¹² и ₆С¹³ содержат 6 протонов и 6 нейтронов в первом случае и 6 протонов и 7 нейтронов во втором.

Что касается урана, то ядро ₉₂U²³⁵ состоит из 92 протонов и 143 нейтронов, т. е. всего из 235 нуклонов, ядро ₉₂U²³⁸ — из 92 протонов и 146 нейтронов, т. е. всего из 238 нуклонов.

Распад нейтрона

Протон-нейтронная модель ядра вполне удовлетворяет физиков и по сей день считается лучшей. Тем не менее, на первый взгляд она вызывает некоторые сомнения. Если атомное ядро состоит только из протонов и нейтронов, снова возникает вопрос о том, как могут вылететь из него отрицательно заряженные электроны в виде β-частиц. А что если электронов в ядре нет и они образуются в момент распада? Применим законы сохранения в поисках правильного решения.

Образование электрона означает возникновение отрицательного электрического заряда. Но по закону сохранения электрического заряда отрицательный заряд не может образоваться, пока одновременно не возникнет положительный. Однако ни одна положительно заряженная частица не вылетает из ядра вместе с β-частицей следовательно, такая частица должна остаться внутри ядра. Известно, что внутри ядра существует одна-единственная положительно заряженная частица — протон. Из всего сказанного следует, что, когда из ядра вылетает электрон, внутри ядра образуется протон. Перейдем к закону сохранения энергии. Протон обладает массой, и если он образуется, где-то в другом месте должна исчезнуть масса. Во всех ядрах, кроме водорода-1 присутствуют нейтроны. Будучи незаряженным, нейтрон появляется или исчезает, не нарушая закон сохранения электрического заряда. Следовательно, при излучении β-частицы внутри ядра исчезает нейтрон и одновременно возникает протон (рис. 4). Другими словами, нейтрон превращается в протон, испуская при этом электрон. Нарушение закона сохранения энергии не наблюдается, так как нейтрон чуть-чуть тяжелее протона. Протон и электрон вместе имеют массу 1,008374 по шкале атомных весов, а масса нейтрона равна 1,008665. При превращении нейтрона в электрон и протон масса 0,00029 «исчезает». В действительности она превращается в кинетическую энергию вылетающей β-частицы, равную примерно 320 кэв.



Рис. 4. Излучение β-частицы.



Такое объяснение кажется удовлетворительным, поэтому подведем итог, используя по возможности простую систему символов. Обозначим нейтрон n, протон p⁺, электрон е^- и запишем уравнение излучения β-частицы:

n → р⁺ + е^-.

Наши рассуждения только косвенно отражают то, что происходит внутри ядра. В действительности нельзя заглянуть внутрь ядра и увидеть, как протон превращается в нейтрон, когда вылетает заряженный электрон. По крайней мере, до сих пор нельзя. А можно ли наблюдать отдельные нейтроны в свободном состоянии? Будут ли они, так сказать, на наших глазах превращаться в протоны и испускать быстрые электроны?

В 1950 году физикам удалось, наконец, получить ответ. Свободные нейтроны время от времени распадаются и превращаются в протоны, причем происходит это не часто. Каждый раз, когда нейтрон претерпевает такое изменение, излучается электрон.

Нейтроны существуют в свободном состоянии до тех пор, пока не произойдет распад, и вопрос о том, как долго длится этот период, очень важен. Когда конкретно нейтрон претерпит радиоактивный распад, — сказать невозможно. Процесс этот носит случайный характер. Один нейтрон существует, не распадаясь, одну миллионную долю секунды, другой — пять недель, третий — двадцать семь миллиардов лет. Тем не менее, для большого количества частиц одного типа с достаточной степенью точности можно предсказать, когда распадется определенный процент их. (Аналогичным образом страховой статистик не может предсказать, как долго будет жить отдельный человек, но для большой группы людей определенного возраста, профессии, места жительства т. д. со значительной точностью он может предсказать, через сколько времени половина из них умрет.)

Время, в течение которого распадается половина частиц данного типа, называют обычно периодом полураспада частицы. Этот термин был введен Резерфордом в 1904 году. Каждый вид частиц имеет свой собственный характерный период полураспада. Например, период полураспада урана-238 4,5·10⁹ лет, тория-232 гораздо больше — 1,4·10¹⁰ лет. Поэтому уран и торий до сих пор встречаются в значительных количествах в земной коре, несмотря на то что в каждый момент некоторые из их атомов распадаются. В течение всей пятимиллиардной истории Земли распалась только половина запасов урана-238 и гораздо меньше половины запасов тория-232.

Некоторые радиоактивные ядра гораздо менее стабильны. Например, когда уран-238 излучает α-частицу, он превращается в торий-234. Период полураспада тория-234 только 24 дня, поэтому в земной коре имеются лишь следы этого элемента. Он очень медленно образуется из урана-238 и, образовавшись, очень быстро распадается.

Распадаясь, торий-234 излучает β-частицу. Внутри ядра тория нейтрон превращается в протон. Это превращение тория-234 происходит с такой скоростью, что период полураспада равен двадцати четырем дням, В других радиоактивных изотопах нейтроны гораздо медленнее превращаются в протоны. Например, калий-40 излучает β-частицы с периодом полураспада 1,3·10⁹ лет. Некоторые изотопы вовсе не подвержены радиоактивному распаду. Так, в ядрах атомов кислорода-16, насколько известно, ни один нейтрон сам по себе не превращается в протон, т. е. период полураспада бесконечен. Однако нас больше всего интересует период полураспада свободного нейтрона. Свободный нейтрон не окружен другими частицами, которые делали бы его более или менее стабильным, удлиняя или укорачивая его период полураспада, т. е. в случае свободного нейтрона мы имеем, так сказать, неискаженный период полураспада. Оказывается, он равен примерно двенадцати минутам, следовательно, половина из триллиона нейтронов превращается в протоны и электроны в конце каждой двенадцатой минуты.

Глава 6. Античастицы

Лептоны и барионы

Остановимся еще раз на известных нам субатомных частицах. Прежде всего к ним относятся ядра различных элементов. Их мы рассматривать не будем, так как ядра атомов всех элементов, за исключением водорода-1, состоят из еще более мелких частиц. Именно эти частицы, названные физиками элементарными [14], и будут нас интересовать.

Я уже упоминал четыре частицы, которые называют элементарными: протон, нейтрон, электрон и фотон. Их можно разделить на две группы. Протон, нейтрон и другие тяжелые элементарные частицы, открытые после 1932 года, объединены под общим названием барионы (от греческого слова barys — тяжелый). Электрон имеет маленькую массу, а масса фотона равна нулю. Эти и другие легкие частицы, открытые после 1932 года, называют лептонами (от греческого слова leptos — легкий, слабый).

Четыре элементарные частицы можно классифицировать по другому признаку. Протон, электрон и фотон — стабильны. Другими словами, если бы во Вселенной был один-единственный протон (или электрон, или фотон), он существовал бы без изменения бесконечно долго. (Говоря точнее, любая из трех перечисленных частиц может претерпеть изменение, но лишь при взаимодействии с другими частицами.) Нейтрон является нестабильной частицей. Если бы во Вселенной существовал один нейтрон, он рано или поздно, а вероятнее всего в течение нескольких минут, распался бы на протон и электрон. Такая нестабильность свойственна самой природе частицы и не зависит от наличия частиц других видов.

Почему же нейтрон в этом отношении не похож на другие частицы? Превращение нейтрона в протон и электрон сопровождается уменьшением массы. Очевидно, существенно именно это уменьшение массы. Оказывается, при любом спонтанном распаде происходит уменьшение массы. Потерянная масса превращается в энергию. Во Вселенной имеется, по-видимому, общая тенденция перехода от вещества к энергии. Становится понятным тогда, почему стабилен фотон. Он имеет нулевую массу покоя и поэтому не может распасться на частицы меньшей массы. По той же причине стабильна любая частица, не имеющая массы.

Подобные рассуждения, однако, неприменимы для объяснения стабильности электрона. Электрон имеет хоть и ничтожную, но все же конечную массу покоя. Но если тенденция превращения массы в энергию универсальна, почему она щадит электрон? Почему он не распадается на один или несколько фотонов с нулевой массой покоя, энергия которых эквивалентна массе электрона?

Оказывается, этому процессу препятствует закон сохранения электрического заряда. Фотон не несет электрического заряда, и если бы электрон распался на фотоны, что стало бы с его отрицательным зарядом? Насколько физикам известно, не существует частицы с отрицательным зарядом легче электрона. Поэтому электрон не распадается.

А протон? Является ли он самой легкой частицей с положительным зарядом? Ответ оказался отрицательными физикам пришлось искать другое объяснение его стабильности.

Позитроны

Первый намек на существование положительно заряженной частицы легче протона был сделан в 1930 году, когда Поль Дирак сумел математически описать некоторые свойства электрона. Он пришел к заключению, что если его математические расчеты верны, электрон должен существовать в двух разных формах. Одна из них — обычный, хорошо известный электрон, который к к тому времени исследовали уже в течение более тридцати лет. Другая форма была очень похожа на обычный электрон, но вместо отрицательного заряда он имел положительный.

Спустя два года, в 1932 году, американский физик Карл Дэвид Андерсон, изучая космические лучи больших энергий, бомбардирующие Землю, в своем детекторе частиц обнаружил нечто, что вело себя точно так же, как электрон, но под действием магнитного поля отклонялось в противоположную сторону. Значит, эта частица вместо отрицательного заряда несла положительный. Так был открыт положительно заряженный электрон Дирака.

Андерсон назвал эту положительно заряженную частицу позитроном. Хотя этот термин используется чаще всего для названия открытой частицы, он неудачен, так как маскирует близкое родство с электроном. Иногда электрон и позитрон называют отрицательным электроном и положительным электроном. Такое наименование отражено в современных обозначениях этих частиц: e^- и е⁺. Чтобы сохранить за электроном его имя, позитрон иногда называют антиэлектроном, где приставка «анти» означает «противоположный». По многим причинам антиэлектрон — наилучшее название, так как другие частицы тоже имеют свои противоположности, для которых используют приставку «анти». Все эти противоположные частицы объединены в группу античастиц.

В настоящее время принято обозначать античастицы символом частицы с горизонтальной линией над ним Так, позитрон можно обозначить \'e⁺, что указывает на то, что он не просто положительно заряженный электрон, а античастица (в fb2 версии горизонтальная линия заменена на на штрих перед символом из-за ограничений шрифтов — прим. верстальщика).

Вскоре после открытия Андерсона было обнаружено, что позитрон образуется некоторыми радиоактивными атомными ядрами, — конечно, не теми, которые существуют в природе, а специально полученными в лаборатории.

В 1934 году французские ученые супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, бомбардируя α-частицами атомы алюминия, получили фосфор-30, который спонтанно, т. е. самопроизвольно, излучал позитроны (в виде положительных β-частиц) и превращался в кремний-30. Атомный номер фосфора — 15, кремния—14, следовательно, радиоактивный распад можно записать:

P⁺¹⁵ → Si⁺¹⁴ + \'e⁺.

Электрический заряд снова сохраняется, так как 14 + 1 = 15.

Какие же процессы внутри ядра приводят к излучению позитрона? Массовые числа кремния-30 и фосфора-30 одинаковы, так что общее число нуклонов до быть в обоих случаях одним и тем же. С другой стороны, атомный номер ядра кремния-30 на единицу меньше, чем фосфора-30, следовательно, ядро кремния-30 содержит на один протон меньше, чем ядро фосфора-30. Чтобы уменьшить число протонов на единицу, не изменяя общего числа нуклонов, надо одновременно добавить один нейтрон. Другими словами, позитрон излучается тогда, когда внутри ядра протон превращается в нейтрон. При этом атомный номер уменьшается на единицу а массовое число остается неизменным. Процесс прямо противоположен тому, который приводит к излучению электрона, когда нейтрон превращается в протон. Но этого и следовало ожидать, так как позитрон является как бы зеркальным отображением электрона и все происходящее с ним является отображением событий, происходящих с электроном.

С другой стороны, протон легче нейтрона, поэтому неудивительно, что именно нейтрон спонтанно превращается в протон, так как спонтанные превращения всегда сопровождаются уменьшением массы. Но как же тогда протон спонтанно превращается в нейтрон и испускает позитрон?

Действительно, протон легче нейтрона, если речь идет о свободных частицах. Внутри ядра, однако, происходят изменения энергии, которые слегка меняют массу отдельных нуклонов. Иногда масса ядра уменьшается, если протон превращается в нейтрон, а иногда, если нейтрон заменяется протоном, изменение массы всецело зависит от строения ядра. В первом случае излучаются позитроны, а во втором — электроны, Конечно, имеются ядра, обладающие при данном числе нуклонов комбинацией нейтронов и протонов, при которой масса минимальна. Тогда превращение протона нейтрон или нейтрона в протон увеличивает массу. Такие ядра не претерпевают никаких спонтанных превращений, они стабильны, если это не тяжелые ядра, которые излучают α-частицы.

Еще раз напомним, что свободные нейтроны могут спонтанно превратиться в протоны, обратное же превращение невозможно.

Позитрон, как и электрон, — стабильная частица. Насколько нам известно, сам по себе он никогда не изменяется, так как позитрон — самая легкая частица, несущая положительный электрический заряд. Стабильность ее является выражением закона сохранения электрического заряда. Однако позитрон существует во Вселенной, состоящей из бесчисленного множества других частиц, в том числе электронов. В обычных условиях позитрон сталкивается с электроном через одну миллионную секунды, а когда частица встречает свою античастицу, обе перестают существовать.

Нечто подобное происходит в том случае, когда деревянная пробка вставляется в отверстие в деревянной поверхности, к которому она точно подогнана, — в «антипробку». Пробка и «антипробка» исчезают, а вместо них появляется гладкая деревянная поверхность, При слиянии позитрона и электрона выполняются различные законы сохранения. Если частицы, двигаясь с одинаковыми скоростями навстречу друг другу, сталкиваются «в лоб», два импульса, складываясь, дают нуль. Если электрон имеет спин -1/2, а позитрон +1/2, суммарный спин системы тоже нуль. Электрон имеет заряд -1, а позитрон +1, следовательно, общий электрический заряд двух частиц равен нулю. Кажется, что происходит полная аннигиляция (уничтожение).

А что происходит с энергией, которая не существует в положительной или отрицательной форме и которая, следовательно, в сумме никогда не равна нулю? После аннигиляции электрона и позитрона энергия, связанная с их массой и движением, должна продолжать существовать в той или иной форме. Оказывается, обе частицы превращаются в фотоны. Энергия, эквивалентная массе электрона, равна 0,51 Мэв. Но позитрон имеет такую же массу, поэтому энергия, эквивалентная общей массе, равна 1,02 Мэв. Следовательно, каждый раз, когда пара позитрон — электрон аннигилирует, должна освобождаться энергия 1,02 Мэв. Экспериментальная проверка энергетического баланса при аннигиляции явилась превосходным подтверждением справедливости закона сохранения энергии для процессов, происходящих в субатомном мире.

Какие же фотоны возникают при аннигиляции пары электрон — позитрон? Фотоны не имеют заряда, но они должны иметь импульс и момент количества движения. Если бы возникал один фотон, должны были бы возникнуть импульс и момент количества движения, а это невозможно в силу закона сохранения. В действительности возникают два разлетающихся в противоположных направлениях фотона, каждый из которых уносит энергию 0,51 Мэв, поэтому их суммарный импульс равен нулю. Один фотон имеет спин +1, другой -1, так что суммарный момент количества движения тоже равен нулю.

Если суммарный импульс или момент количества движения электрона и позитрона до аннигиляции отличны от нуля, они сохранятся и после аннигиляции. Предположим, каждая из частиц имеет спин +1/2, следовательно, суммарный спин равен +1. Если бы система обладала импульсом, то мог бы возникнуть один фотон со спином +1. Когда же суммарный импульс системы равен нулю, закон сохранения импульса и момента количества движения будет выполнен, если возникнут три фотона энергией 0,34 Мэв каждый, разлетающихся по направлению трех вершин равностороннего треугольника. При этом суммарный импульс трех фотонов равен нулю, а суммарный спин +1, если спины фотонов равны +1, +1, -1 соответственно.

Превращение электрон-позитронной пары в фотоны γ-излучения можно записать следующим образом:

e^- + \'e⁺ → γ + γ + γ.

Существует обратный процесс — превращение энергии в массу. Фотон γ-лучей с энергией 1,02 Мэв при определенных условиях превращается в электрон-позитронную пару. Для фотона с меньшей энергией этот процесс невозможен, а более энергичный фотон отдает излишки своей энергии разлетающимся частицам. Фотон γ-лучей никогда не превращается только в электрон или только в позитрон. При таком превращении закон сохранения заряда был бы нарушен. Короче говоря, независимо от того, как происходит электрон-позитронная аннигиляция, должны сохраняться четыре основные величины: импульс, момент количества движения, электрический заряд и энергия.

Антинуклоны

Теорию Дирака, предсказавшую существование положительно заряженного электрона, применили к протону. Было высказано предположение, что должен существовать отрицательно заряженный протон — антипротон. После открытия позитрона физики были убеждены, что антипротон существует и его можно получить в лаборатории. Трудность заключалась в том, что протон в 1836 раз тяжелее электрона и, если для создания пары электрон — позитрон требуется энергия 1,02 Мэв, для создания протона и антипротона потребовалось бы минимум 1872 Мэв. Только после 1950 года физики получили устройство, которое позволяло концентрировать такую энергию в малом объеме.

В 1956 году итальянский физик Эмилио Сегре, работающий в США, и его американский коллега Оуэн Чемберлен закончили работу, в результате которой убедительно доказали существование антипротона. Когда протон и антипротон встречаются, они аннигилируют подобно электрон-позитронной паре. Только в случае аннигиляции протон-антипротонной пары выделяется гораздо большая энергия. Если обозначить антипротон \'р^-, то процесс аннигиляции можно записать следующем виде:

p⁺ + \'p^- → γ + γ

В 1965 году была получена обратная реакция, когда γ-излучение большой энергии было превращено в протон-антипротонные пары.

Правда, при взаимодействии протона и антипротона наблюдали новое явление. Почти сразу же после открытия антипротона было обнаружено, что иногда, если протон и антипротон сталкиваются, едва касаясь друг друга, электрический заряд обоих исчезает, но массы не уничтожаются. Вместо двух заряженных тяжелых частиц образуются две тяжелые незаряженные частицы: вместо протона возникает нейтрон, а вместо антипротона — антинейтрон. Если последний обозначить символом \'п, можно записать:

p⁺ + \'p^- → n + \'п.

Антинейтрон и антипротон называют антинуклонами. Нуклоны и антинуклоны принадлежат к барионам (как позитроны к лептонам).

Но что же такое антинейтрон? Позитрон отличается от электрона зарядом, и антипротон отличается от протона зарядом. Антинейтрон, как и нейтрон, не заряжен. Чем же они тогда отличаются?

Ответ, очевидно, надо искать в природе спина. Предположим, что субатомная частица — крошечная сфера, вращающаяся вокруг своей оси и обладающая двумя полюсами. Если посмотреть на частицу со стороны одного из полюсов, будет казаться, что она вращается против часовой стрелки, а со стороны другого полюса — по часовой стрелке. Назовем полюс, с которого кажется, что частица вращается против часовой стрелки, северным. (Подобно этому вращение Земли с запада на восток происходит против часовой стрелки, если смотреть на Землю со стороны северного полюса.) При вращении заряженная частица создает магнитное поле, в котором есть и северный, и южный магнитные полюса. В протоне северный магнитный полюс совпадает с северным полюсом, а в антипротоне северный магнитный полюс совпадает с южным. Другими словами, магнитное поле антипротона противоположно магнитному полю протона (рис. 5). Магнитные и электрические свойства частицы противоположны соответствующим свойствам античастицы.



Рис. 5. Магнитные полюса протона и антипротона.



Хотя нейтрон не имеет электрического заряда, тем не менее он имеет связанное с ним магнитное поле. Причина этого не совсем ясна, но физики подозревают, что протон состоит из областей с положительным и отрицательным зарядом, расположенных несимметрично, что приводит к появлению магнитного поля. Магнитное поле нейтрона ориентировано в одном направлении, а антинейтрона — в другом. Именно в этом и заключается их различие.

Масса антинейтрона равна массе нейтрона, а масса антипротона — массе протона. Это означает, что антинейтрон несколько тяжелее антипротона и, следовательно, может в него превратиться. При распаде антинейтрона с нулевым зарядом в антипротон с зарядом -1 возникает отрицательный заряд. Согласно закону сохранения электрического заряда, при таком превращении одновременно должен возникнуть и положительный заряд. Положительный заряд появляется в виде позитрона:

\'п → \'p^- + \'e⁺.

Распад антинейтрона аналогичен во всех отношениях распаду нейтрона (за исключением обратных зарядов). Даже период полураспада в обоих случаях одинаков. Процесса, обратного антинейтронному распаду, нет. Антипротон сам по себе стабилен, так же как протон, и, насколько мы знаем, остается неизменным.

Сохранение барионного числа

До сих пор мы не ответили на вопрос: почему протон стабилен? Теперь мы можем к этому вопросу добавить другой: почему стабилен антипротон? Совершенно неуместно говорить о том, что протон имеет наименьшую массу, с которой связан положительный заряд. Такое искушение могло у нас возникнуть, пока мы не ввели античастицы. Ведь протон мог бы распасться на позитрон и фотоны γ-лучей. При этом электрический заряд сохранился бы, а все другие законы сохранения удовлетворились бы автоматически. Подобным образом антипротон мог бы распасться на электрон и γ-квант.

Если какой-нибудь распад не нарушает ни одного из законов сохранения в субатомном мире, он должен иметь место. Распад может быть очень редким явлением, но он обязательно должен происходить. Если, с другой стороны, какой-то субатомный процесс упорно не желает протекать, значит, он нарушает какой-нибудь закон сохранения.

Протон никогда не распадается на позитрон. Этот процесс не нарушает ни один из известных нам законов сохранения, следовательно, ему препятствует какой-то новый закон. Превращение протона в позитрон не нарушает закона сохранения электрического заряда, так как оба несут положительный заряд, равный единице. А свойства позитрона и фотонов, образующихся из протона, легко подобрать таким образом, чтобы не нарушались законы сохранения импульса, момента количества движения и энергии.

Итак, физикам пришлось сделать вывод о том, что существует пятый, прежде неизвестный закон сохранения. Когда они еще раз внимательно стали изучать все субатомные процессы, которые они знали, им начало казаться, что барионы вообще никогда не исчезают. Всякий раз, когда исчезал барион одного вида, мгновенно возникал барион другого вида. Конечно, когда барион встречается с антибарионом (например, когда протон встречает антипротон), обе частицы могут исчезнуть, не оставив взамен никакого другого бариона.

Чтобы разобраться в таком странном поведении барионов, всем субатомным частицам физики приписали определенные барионные числа. Протон и нейтрон получили барионные числа +1 каждый, а антипротон и антинейтрон -1 каждый. Всем лептонам (электрону, позитрону и фотону) приписали нулевые барионные числа. Итак был сформулирован новый закон: суммарное барионное число замкнутой системы постоянно. (Все законы сохранения, рассмотренные нами, были открыты при исследовании явлений обычной повседневной жизни а затем применены к атому. Теперь мы в первый, но не в последний раз встретились с законом сохранения, возникшим непосредственно при изучении явлений, происходящих в субатомном мире.)

Рассмотрим несколько примеров. При радиоактивных превращениях ядро урана-238 распадается на ядро тория-234 и α-частицу (гелий-4). Ядро урана-238 содержит в общей сложности 238 протонов и нейтронов, следовательно, его барионное число 238. Аналогично барионное число тория-234 равно 234, а α-частицы — 4. Поскольку сумма барионных чисел тория-234 и α-частицы равна 238, барионное число в этом процессе сохраняется. Далее, ядро тория-234 излучает β-частицу (т. е. электрон с нулевым барионным числом) и превращается в ядро протактиния-234. Следовательно, барионное число снова сохраняется. В действительности оно сохраняется во всех известных радиоактивных превращениях. А что происходит с барионным числом элементарных частиц? Если нейтрон распадается на протон и электрон, барионное число сохраняется, так как сумма барионных чисел протона и электрона равна единице. Точно так же сохраняется барионное число и при распаде антинейтрона на антипротон и позитрон.

Если протон и антипротон, взаимодействуя, превращаются в нейтрон и антинейтрон, суммарные барионные числа до и после реакции равны. Если взаимодействуют протон и антипротон, образуя два γ-кванта (или любое число их), закон сохранения барионного числа снова выполняется, так как +1–1 = 0 + 0.

Во всех известных до сих пор атомных и субатомных процессах барионное число сохраняется. Физики ни разу не сталкивались с нарушением закона сохранения барионного числа. Теперь становится понятно, почему протон не превращается спонтанно в позитрон, а антипротон — в электрон. В первом случае барионное число +1 стало бы нулем, а во втором — в нуль превратилось бы барионное число -1. Ни одно из этих превращений невозможно без нарушения закона сохранения барионного числа.

В самом деле, насколько мы знаем, протон и антипротон — наименее тяжелые из известных барионов. Именно поэтому они стабильны. Любое спонтанное превращение означало бы появление менее тяжелых частиц. Но любая более легкая частица — не барион, и, следовательно, за кон сохранения барионного числа был бы нарушен.

По закону сохранения электрического заряда, казалось бы, ни один электрон не возникает без одновременного рождения позитрона. Согласно тому же закону и закону сохранения барионного числа, ни один протон не возникает без одновременного рождения антипротона. В окружающей нас Вселенной электронов и протонов сколько угодно, а позитроны и антипротоны исключительно редки. Почему?

Убедительного ответа на этот вопрос еще нет. Одна гипотеза предполагает, что, когда возникла наша Вселенная, частиц и античастиц было равное количество, но они были как-то разделены. Возможно, кроме нашего мира существует также антимир. Все вещества нашего мира состоят из атомов с ядрами из протонов и нейтронов и с электронами во внешних областях атома. В антимире антиматерия должна состоять из атомов с ядрами из антипротонов и антинейтронов и с позитронами вместо электронов во внешних областях атома. В антимире обычное вещество встречалось бы исключительно редко. (До недавнего времени антивещество оставалось просто теоретической концепцией. Однако в 1965 году физики Брукхейвенской национальной лаборатории получили очень недолговечные ядра из антипротона и антинейтрона. Известно, что ядро водорода-2 состоит из протона и нейтрона. Водород-2 часто называют дейтерием, поэтому систему протон + нейтрон назвали дейтроном, а систему антипротон + антинейтрон — антидейтроном. Антидейтрон — простейший вид антиматерии, который представляет собой более сложное образование по сравнению с элементарной частицей. Без сомнения, придет время, когда более сложные формы антивещества будут созданы в лаборатории.

Не исключена возможность, что в нашей Вселенной присутствуют одновременно и вещество и антивещество, но находятся они в разных галактиках. Трудно определить, видим ли мы в телескопы галактики или антигалактики. На первый взгляд кажется, что галактику от антигалактики можно отличить по излучаемому свету. Если обычное вещество излучает фотоны, антивещество должно излучать «антифотоны». Нельзя ли их различить? К несчастью, нет! Если существуют антифотоны, аннигиляция частиц и античастиц привела бы к образованию одинакового числа фотонов и антифотонов. Однако образуются только фотоны, поэтому физики сделали вывод, что фотон является собственной античастицей, т. е. излучение вещества и антивещества должно быть совершенно одинаково, и по нему нельзя различить две галактики. (Однако позднее мы убедимся, что не все еще потеряно.) Если бы и материя и антиматерия сосуществовали в нашей Вселенной, они могли бы случайно встретиться в значительных количествах. Если бы это произошло, при аннигиляции выделилось бы колоссальное количество энергии, гораздо больше, чем при ядерных реакциях внутри таких звезд, как наше Солнце.

В действительности существуют галактики и другие космические объекты, которые излучают необычно большие потоки энергии в виде света или радиоволн, или того и другого вместе. Сейчас астрономы заняты попытками определить источник этой энергии. Аннигиляция вещества и антивещества — возможный, но не единственный ее источник.

Глава 7. Появление нейтрино

Энергия α-частицы

Законы сохранения строго выполнялись во всех случаях, описанных в предыдущих главах. Когда один из законов оказывался несовершенным, приходилось интерпретировать его по-другому. Так, старый закон сохранения массы был расширен и превращен в более общий закон сохранения энергии. С другой стороны, когда ожидаемые события в действительности не происходили, придумали новый закон сохранения (как было в случае закона сохранения барионного числа). Однако не всегда легко доказать, что законы сохранения выполняются точно. Особенно загадочная ситуация возникла на заре развития ядерной физики при изучении кинетической энергии частиц, испускаемых радиоактивными веществами.

Энергию α-частицы можно определить, измеряя массы исходного радиоактивного ядра, α-частицы и конечного ядра. Суммарная масса α-частицы и конечного ядра должна быть немного меньше массы исходного ядра, а энергетический эквивалент недостающей массы равняться кинетической энергии α-частицы. Измерять с высокой точностью массы различных ядер и других частиц физики смогли только в 20-х годах нашего столетия. Тем не менее, некоторые важные выводы относительно энергий частиц они сделали, не зная точного значения масс.

Рассмотрим торий-232, который распадается на α-частицу (гелий-4) и радий-228. Все ядра тория-232 имеют одинаковые массы. Массы всех ядер радия-228 также имеют одинаковую величину, как и массы всех α-частиц. Не зная величину этих масс, все же можно сказать, что каждый раз, когда атом тория-232 испускает α-частицу, дефицит массы должен быть одинаков, а следовательно, должна быть одинакова и кинетическая энергия α-частиц. Другими словами, торий-232 должен испускать α-частицы с одной и той же энергией.

Как же определить кинетическую энергию α-частиц? Известно, что чем больше энергия α-частицы, тем глубже она проникает в вещество. α-Частицы тормозятся очень тонким слоем твердого вещества, но могут пройти сквозь слой воздуха толщиной в несколько сантиметров. При этом α-частицы непрерывно передают энергию молекулам воздуха, с которыми они сталкиваются, постепенно замедляются и, захватывая электроны, становятся в конце концов обычными атомами гелия. В таком состоянии их уже нельзя обнаружить методами, с помощью которых регистрируются α-частицы, так что фактически они исчезают.

Обнаружить α-частицы можно при помощи пленки химического соединения, называемого сернистым цинком. Каждый раз, когда α-частица налетает на такую пленку, она вызывает слабую вспышку света. Если рядом с источником α-частиц (скажем, кусочком тория-232 в свинцовом контейнере с очень узким отверстием) поместить сцинтилляционный счетчик, то число вспышек будет соответствовать количеству образующихся α-частиц. Если сцинтилляционный счетчик располагать все дальше и дальше от источника, α-частицы должны будут проходить через все больший и больший слой воздуха, чтобы попасть в него. Если бы α-частицы испускались с различными энергиями, то обладающие наименьшей энергией исчезли бы очень быстро, более «энергичные» α-частицы прошли бы больший путь в воздухе и т. д. В результате по мере удаления сцинтилляционного счетчика от источника число α-частиц, попадающих в счетчик, должно было бы постепенно уменьшаться. Если бы α-частицы вылетали с одинаковой энергией, все они проходили бы в воздухе одинаковый путь. Следовательно, сцинтилляционный счетчик должен был бы регистрировать одно и то же число частиц по мере удаления от источника, вплоть до некоторой критической точки, за которой он не зарегистрировал бы ни одной вспышки.

Именно это явление наблюдал английский физик Уильям Генри Брэгг в 1904 году. Почти все α-частицы, вылетающие из ядер одного и того же элемента, имели одну и ту же энергию и обладали одинаковой проникающей способностью. Все α-частицы тория-232 проходили слой воздуха толщиной 2,8 см, все α-частицы радия-226— 3,3 см, а α-частицы полония-212 — 8,6 см [15]. На самом деле имеются некоторые отклонения. В 1929 году было обнаружено, что небольшая часть частиц одного и того же радиоактивного ядра может обладать необычайно большой кинетической энергией и большей проникающей способностью, чем остальные. Причина этого в том, что исходное радиоактивное ядро может находиться в одном из возбужденных состояний. В возбужденных состояниях ядра имеют большую энергию, чем в своем нормальном основном состоянии. Когда ядро испускает α-частицу, находясь в возбужденном состоянии, α-частица получает дополнительную энергию. В результате помимо основной группы α-частиц образуются маленькие группы α-частиц с большей проникающей способностью, по одной группе для каждого возбужденного состояния.

Когда радиоактивное ядро образуется при распаде другого ядра, оно иногда находится в возбужденном состоянии с момента своего образования. Тогда большая часть испускаемых им α-частиц имеет необыкновенно большую энергию, а α-частицы с меньшей энергией образуют небольшие группы. Эти отдельные группы α-частиц (от 2 до 13) с различными энергиями образуют спектр α-частиц данного ядра. Каждая компонента спектра соответствует, как и предполагали, одному из возбужденных состояний ядра. Итак, закон сохранения энергии α-частиц выполняется, чего нельзя сказать в случае β-частиц.

Энергия β-частицы

Если все выводы, сделанные для α-частиц, были бы применимы к β-частицам и выполнялись бы рассмотренные энергетические соотношения, все образующиеся при распаде ядер β-частицы обладали бы одной и той же кинетической энергией. Однако еще в 1900 году создалось впечатление, что β-частицы испускаются с любой энергией вплоть до некоторого максимального значения. В течение последующих пятнадцати лет доказательства постепенно накапливались, пока не стало совершенно ясно, что энергии β-частиц образуют непрерывный спектр.

Каждое ядро, испуская в процессе распада β-частицу, теряет определенное количество массы. Уменьшение массы должно соответствовать величине кинетической энергии β-частицы. При этом кинетическая энергия β-частицы любого из известных нам радиоактивных ядер не превышает энергии, эквивалентной уменьшению массы. Таким образом, уменьшение массы при любом радиоактивном распаде соответствует максимальному значению кинетической энергии β-частиц, образующихся в процессе этого распада.

Но, согласно закону сохранения энергии, ни одна из β-частиц не должна обладать кинетической энергией меньше энергии, эквивалентной уменьшению массы, т. е. максимальная кинетическая энергия β-частицы должна быть одновременно и минимальной. В действительности это не так. Очень часто β-частицы испускаются с меньшей кинетической энергией, чем следует ожидать, причем максимального значения, соответствующего закону

сохранения энергии, вряд ли достигает хоть одна β-частица. Одни β-частицы обладают кинетической энергией, несколько меньшей максимального значения, другие — значительно меньшей, остальные — намного меньшей. Наиболее распространенная величина кинетической энергии равна одной трети максимального значения. В общем, более половины энергии, которая должна возникать вследствие уменьшения массы при радиоактивных распадах, сопровождающихся образованием β-частиц, нельзя обнаружить.

В двадцатых годах многие физики были склонны уже отказаться от закона сохранения энергии, по крайней мере для тех процессов, в которых образуются β-частицы. Перспектива была тревожной, так как закон оставался справедлив во всех других случаях. Но существует ли другое объяснение этого явления?

В 1931 году Вольфганг Паули предложил следующую гипотезу: β-частица не получает всю энергию из-за того, что образуется вторая частица, которая уносит остаток энергии. Энергия может распределиться между двумя частицами в любых пропорциях. В некоторых случаях почти вся энергия передается электрону, и тогда он имеет почти максимальную кинетическую энергию, эквивалентную уменьшению массы.

Иногда почти вся энергия передается второй частице, тогда энергия электрона фактически равна нулю. Когда энергия распределяется между двумя частицами более равномерно, электрон имеет промежуточные значения кинетической энергии.

Какая же частица удовлетворяет предположению Паули? Вспомним, что β-частицы возникают всякий раз, когда внутри ядра нейтрон превращается в протон. При рассмотрении превращения нейтрона в протон, несомненно, проще иметь дело со свободным нейтроном. Нейтрон не был открыт, когда Паули впервые предложил свою теорию. Мы же можем воспользоваться преимуществом ретроспективного взгляда.

При распаде свободного нейтрона на протон и электрон, последний вылетает с любой кинетической энергией вплоть до максимальной, которая приблизительно равна 0,78 Мэв. Ситуация аналогична испусканию радиоактивным ядром β-частицы, поэтому при рассмотрении распада свободного нейтрона необходимо учесть частицу Паули.

Обозначим частицу Паули х и попробуем выяснить ее свойства. Запишем реакцию распада нейтрона:

п → р⁺ + е^- + х.

Если при распаде нейтрона выполняется закон сохранения электрического заряда, х-частица должна быть нейтральной. Действительно, 0=1–1+0. При распаде нейтрона на протон и электрон потеря массы составляет 0,00029 единиц по атомной шкале масс, что приблизительно равно половине массы электрона. Если бы x-частица получила даже всю энергию, образующуюся в результате исчезновения массы, и если бы вся энергия пошла на образование массы, масса х составляла бы только половину массы электрона. Следовательно, x-частица должна быть легче электрона. На самом деле она должна быть значительно легче, так как обычно электрон получает большую часть выделяющейся энергии, а иногда почти всю. Более того, вряд ли энергия, переданная х-частице, полностью превращается в массу; значительная часть ее переходит в кинетическую энергию х-частицы. С годами оценка массы х-частиц становилась все меньше и меньше. Наконец, стало ясно, что х-частица, как и фотон, не имеет массы, т. е. подобно фотону она распространяется со скоростью света с момента своего возникновения. Если энергия фотона зависит от длины волны, энергия х-частицы зависит от чего-то аналогичного.

Следовательно, частица Паули не имеет ни массы, ни заряда, и становится понятным, почему она остается «невидимкой». Заряженные частицы обычно обнаруживают благодаря ионам, которые они образуют. Незаряженный нейтрон был обнаружен из-за большой массы. Частица без массы и без заряда ставит физика в тупик и лишает его какой бы то ни было возможности поймать и изучить ее.

Вскоре после того, как Паули предположил существование х-частицы, она получила имя. Сначала её хотели назвать «нейтроном», так как она не заряжена, но через год после появления гипотезы Паули Чедвик открыл тяжелую незаряженную частицу, которая получила это имя. Итальянский физик Энрико Ферми, имея в виду, что х-частица намного легче нейтрона Чедвика, предложил назвать х-частицу нейтрино, что по-русски значит «нечто маленькое, нейтральное». Предложение было очень удачным, и с тех пор она так и называется. Обычно нейтрино обозначают греческой буквой ν «ню») и распад нейтрона записывают следующим образом:

п → р⁺ + е^- + ν..

Нейтрино совершенно необходимо

Гипотеза Паули о существовании нейтрино и последовавшая затем детальная теория рождения нейтрино, созданная Ферми, были по-разному встречены физиками. Никто не желал отказываться от закона сохранения энергии, хотя имелись серьезные сомнения относительно необходимости спасения этого закона с помощью частицы без массы и без заряда, частицы, которую нельзя обнаружить, частицы, единственным основанием для существования которой было просто желание спасти закон сохранения энергии. Некоторые физики считали ее призрачной частицей, своего рода трюком для спасения энергетической «бухгалтерии». Фактически концепция нейтрино была просто способом выражения того, что «закон сохранения энергии не выполняется» [16]. Закон сохранения энергии оказался не единственным, спасенным нейтрино.

Рассмотрим неподвижный нейтрон, т. е. нейтрон с нулевым импульсом относительно наблюдателя. При его распаде суммарный импульс протона и электрона должен равняться нулю, если распад сопровождается образованием только двух частиц. Электрон должен вылететь в одном направлении, а протон точно в противоположном (но с меньшей скоростью, так как его масса больше).

Однако это не так. Электрон и протон испускаются в направлениях, которые образуют определенный угол. Небольшой суммарный импульс в направлении вылета частиц возникает как бы из ничего, и закон сохранения импульса нарушается. Однако, если при этом возникает нейтрино, оно может вылететь в таком направлении, что в точности скомпенсирует суммарный импульс двух других частиц (рис. 6).

Другими словами, закон сохранения импульса выполняется только благодаря нейтрино.



Рис. 6. Распад нейтрона.



Легко видеть, что аналогично обстоит дело и с моментом количества движения. Нейтрон, протон и электрон имеют спин +1/2 или -1/2 каждый. Предположим, что спин нейтрона +1/2. При его распаде суммарный спин протона и электрона должен быть равен +1/2, если закон сохранения момента количества движения справедлив и при распаде образуются только эти две частицы. Возможно ли это? Спины протона и электрона могут быть равны +1/2 и +1/2; +1/2 и -1/2; -1/2 и -1/2, т. е. суммарный спин обеих частиц равен +1, 0 и — 1 соответственно. Он не равен и никогда не может быть равен +1/2 или -1/2, если вначале спин нейтрона был равен -1/2. Короче говоря, если нейтрон распадается только на протон и электрон, закон сохранения момента количества движения нарушается.

Но предположим, что при распаде возникает нейтрино со спином +1/2 или -1/2. Тогда суммарный спин трех возникших при распаде частиц всегда будет равен спину исходного нейтрона. Следовательно, существование нейтрино «спасает», по крайней мере, три закона: закон сохранения энергии, импульса и момента количества движения. Примечательно, что одна и та же частица выполняет тройную работу.

Трудно сказать, что было хуже: признать существование одной загадочной, призрачной частицы или нарушение одного закона сохранения. Значительно легче сделать выбор между призрачной частицей и нарушением сразу трех законов сохранения. Пришлось физикам выбрать призрачную частицу. Постепенно существование нейтрино было признано ядерщиками. Они перестали сомневаться в реальности нейтрино независимо от того, могли его обнаружить или нет.

Сохранение лептонного числа

Нейтрино не только спасает три закона сохранения, но и создает один новый. Чтобы понять, как это происходит, рассмотрим нейтрино применительно к античастицам.

Антинейтрон распадается на антипротон и позитрон (антиэлектрон). Ситуация аналогична распаду нейтрона. Позитрон вылетает с меньшей кинетической энергией, чем должен, позитрон и антипротон не разлетаются во взаимно противоположных направлениях и их спины не складываются надлежащим образом. Добавление нейтрино и в этом случае все сбалансирует.

Возникает, естественно, вопрос: одно и то же ли нейтрино образуется при распаде антинейтрона и при распаде нейтрона?

Нетрудно доказать, что нейтрино бывают разными. Нейтрино, обладающее спином, подобно нейтрону, создает магнитное поле, которое имеет два различных направления. Следовательно, нейтрино и антинейтрино существуют точно так же, как нейтрон и антинейтрон. При распаде нейтрона возникает один из близнецов нейтрино, а при распаде антинейтрона — другой. Но какой из них сопровождает данный распад?

Я уже описал закон сохранения барионного числа, который утверждает, что суммарное барионное число замкнутой системы остается постоянным. Имеется ли аналогичный закон сохранения лептонного числа, по которому суммарное лептонное число замкнутой системы, остается неизменным? Почему нам не потребовать от лептонов того же, что и от барионов? К сожалению, если нейтрино не включить в рассмотрение, то этого сделать нельзя.

Припишем электрону лептонное число +1, а позитрону или антиэлектрону — лептонное число -1. Фотон, являющийся своей собственной античастицей, не может иметь лептонное число ни +1, ни -1, и было бы логично приписать ему нулевое лептонное число. Все барионы также имеют нулевые лептонные числа.

Вернемся снова к распаду нейтрона. Начнем с одного нейтрона, имеющего барионное число 1 и нулевое лептонное число. Предположим, что при распаде нейтрона образуется только протон и электрон. Протон и электрон должны иметь суммарное барионное число 1 и суммарное лептонное число 0, если оба эти числа сохраняются. Действительно, сумма барионных чисел двух частиц равна +1 (т. е. 1 + 0) в соответствии с законом сохранения барионного числа. Суммарное лептонное число протона и электрона тоже равно +1 (т. е. 1 + 0), хотя в начале и реакции лептонное число равнялось нулю. Следовательно, лептонное число не сохраняется.

Предположим, что к лептонам принадлежат нейтрино и антинейтрино с лептонными числами + 1 и -1 соответственно. Тогда при распаде нейтрона на протон, электрон и антинейтрино лептонное число сохраняется (0 + 1–1 = = 0), и распад можно записать следующим образом:

п → р⁺ + е^- + \'ν,

где \'ν — антинейтрино.

Когда распадается антинейтрон с нулевым лептонным числом, возникают антипротон, позитрон и нейтрино. Лептонные числа трех образовавшихся частиц 0, -1 и +1 соответственно, а их сумма равна нулю:

\'п → \'р^- + \'е⁺ + ν.

В свободном состоянии нейтроны и антинейтроны распадаются на протоны и антипротоны, обратная ситуация не имеет места. Однако внутри ядер протоны иногда спонтанно превращаются в нейтроны (например, в случае фосфора-30). Аналогично в антивеществе антипротоны превращаются в антинейтроны.

Когда протон превращается в нейтрон, образуются позитрон и нейтрино:

р⁺ → n +\'e⁺ + ν.

Когда же антипротон превращается в антинейтрон, образуются электрон и антинейтрино:

\'р^- →\'n + е^- + ν.

В обоих случаях лептонное число сохраняется. Суммируя, можно сказать, что при испускании электрона должно возникать антинейтрино, а при испускании позитрона должно возникать нейтрино, чтобы в конце распада лептонное число равнялось нулю.

Если принимать во внимание нейтрино и антинейтрино, лептонное число сохраняется во всех изученных субатомных процессах. Таким образом, существование нейтрино и антинейтрино не только спасло законы сохранения энергии, импульса и момента количества движения, но и позволило также установить закон сохранения лептонного числа. Поэтому физикам было очень трудно не признать существование этих частиц.

Глава 8. Поиски нейтрино

Поглощение фотонов

До сих пор нейтрино было очень похоже на фотон. Подобно фотону, нейтрино не заряжено, не имеет массы, всегда движется со скоростью света. Обе частицы имеют спин. Спин фотона +1 или -1, тогда как спин нейтрино +1/2 или -1/2 (отличие не очень существенное). Тем не менее между ними существует интересная и даже удивительная разница, понять которую нам помогут следующие рассуждения.

Проследим два события, обращенные во времени. Пусть человек, держащий мяч, бросает его, скажем, на юг. Если же мяч приближается к человеку, двигаясь в обратном направлении, человек поднимает руку и ловит его. В первом случае последовательность событий была такова: 1) человек держит мяч, 2) человек бросает мяч, 3) мяч летит на юг. Движение, обращенное во времени, имело другую последовательность событий: 1) мяч летит на север, 2) человек ловит мяч, 3) человек держит мяч. Все это очень напоминает кинофильм, который сначала прокручивают в одну сторону, а затем в обратную.

Попробуем перенести этот принцип в субатомный мир Если электрон в атоме переходит из возбужденного состояния в менее возбужденное, он излучает фотон видимого света, длина волны которого зависит от разности энергий между двумя возбужденными состояниями атома. Тот же самый атом может поглотить или «поймать» фотон с точно такой же длиной волны, при этом электрон перейдет из менее возбужденного состояния в более возбужденное. Каждый тип атома излучает фотоны определенных длин волн (в зависимости от величины энергии его возбужденных состояний) и при подходящих условиях поглощает фотоны с точно такими же длинами волн.

И все-таки разница между прямым и обращенным во времени событием существует не только в изменении направления и последовательности. Поймать мяч труднее, чем бросить его. Бросая мяч, вы приводите в движение неподвижный предмет, и все зависит только от вас. Располагая своим временем, вы можете удобнее взять мяч, тщательно прицелиться и т. д. Когда же вы ловите мяч, приходится иметь дело с движущимся предметом и зевать некогда. Когда мяч приблизится, его нужно быстро схватить, так как мяч будет оставаться в пределах досягаемости долю секунды. В эту долю секунды вы должны успеть вытянуть руку точно в направлении движения мяча и остановить его. Если вы промахнетесь, мяч пролетит мимо.

То же самое происходит и с атомом, излучающим фотон. Такой атом испускает фотон за время, которое в среднем составляет около 10^-8 сек. Следовательно, атом, так сказать, сам распоряжается своим временем и излучает фотон, когда ему удобно.

Чтобы поглотить этот же фотон, атому необходимо 10^-8 сек, что является естественным следствием обратимости событий. Но атом не может поглотить фотон без значительных хлопот. Фотон движется со скоростью света и не остается вблизи атома в течение всего промежутка времени 10^-8 сек. За такой промежуток времени фотон света пролетает в среднем 300 см. Некоторые фотоны могут пройти большее расстояние, а другие меньшее. Понятно, почему обычно атомам очень трудно поймать фотоны: ведь размер атома значительно меньше этого расстояния! (Точно так же баскетболистам трудно ловить мячи, летящие слишком быстро). Тем не менее, случайно атом может поймать и поглотить фотон.

Все сказанное предполагает, что фотон не имеет собственных размеров_; хотя на самом деле его размеры довольно велики. Типичный фотон видимого света имеет длину волны около 1/20 000 см. На этой длине укладывается в ряд около тысячи атомов. Фотон видимого света можно представить как некую сферу, диаметр которой в тысячу раз больше диаметра атома, а объем в 1000000000 раз больше объема атома. В любой момент времени фотон света соприкасается приблизительно с миллиардом атомов, один из которых ухитряется поймать и поглотить его.

Следовательно, глубина, на которую фотон проникает в вещество до поглощения, не 300 см, а в миллиард раз меньше, т. е. 3·10^-7 см.

На таком расстоянии умещаются в ряд не более 10–15 атомов. Это означает, что фотон света до момента поглощения проникает в вещество не глубже, чем на 10–15 атомарных слоев. Толщина в 10–15 атомов — сущий пустяк в обычных масштабах, поэтому большинство твердых веществ даже в виде тонких пленок непрозрачны для света (хотя золотую фольгу можно сделать настолько тонкой, что она станет прозрачной).

Чем короче длина волны света, тем меньше фотон, тем меньше атомов соприкасается с ним в любой момент времени и, следовательно, тем больший путь он проходит через вещество до поглощения. Именно по этой причине ультрафиолетовый свет проникает в кожу человека глубже, чем видимый свет; рентгеновские лучи свободно проходят через мягкие ткани тела и останавливаются только более плотным веществом костей; а γ-лучи пронизывают плотное вещество на много сантиметров. (Конечно, видимый свет проходит значительное расстояние в таких веществах, как стекло или кварц, не говоря уже о большинстве жидкостей, но все это является предметом отдельного рассмотрения).

Поглощение нейтрино

Постараемся теперь использовать все вышесказанное применительно к нейтрино и антинейтрино. Запишем еще раз реакцию распада нейтрона, в результате которой образуется протон, электрон и антинейтрино:

п → р⁺ + е^- + \'ν.

Предположим, что при подходящих условиях возможен обратный процесс, в котором протон, захватывая электрон и антинейтрино, становится нейтроном. Тогда обратная реакция выглядела бы так:

р⁺ + е^- + \'ν → п.

Естественно, протон должен поймать электрон и антинейтрино одновременно, что очень сильно уменьшает вероятность успешного завершения процесса. (Это равносильно тому, чтобы просить баскетболиста поймать одной рукой одновременно два мяча, летящих на него с разных сторон.)

Для упрощения задачи изменим порядок обращения. Любой процесс, в котором происходит поглощение электрона, можно заменить процессом, в результате которого рождается позитрон. (Подобное правило существует в алгебре: вычитание -1 равносильно прибавлению +1.) Другими словами, вместо одновременного поглощения электрона и антинейтрино протон может поглотить антинейтрино и излучить позитрон:

р⁺ + \'ν → п + \'е+.

При таком варианте реакции законы сохранения выполняются. Поскольку протон заменяется нейтроном (оба с барионным числом +1), а антинейтрино заменяется позитроном (оба с лептонным числом -1), законы сохранения барионного и лептонного чисел выполняются.

Остается рассмотреть вероятность поглощения антинейтрино протоном. Период полураспада нейтрона равен 12,8 мин, хотя отдельным нейтронам для распада требуется больше или меньше 12,8 мин. Следовательно, для образования нейтрона при захвате протоном антинейтрино и излучении позитрона требуется в среднем 12,8 мин. Другими словами, антинейтрино поглощается протоном в среднем за 12,8 мин.

Но нейтрино распространяется со скоростью света и за 12,8 мин проходит расстояние 2,3·10⁸ км (т. е. путь, приблизительно равный расстоянию от Солнца до Марса). Трудно поверить, что антинейтрино до поглощения способно пройти такое огромное расстояние в твердом веществе, даже если предположить, что объем его равен объему фотона. Но на самом деле антинейтрино значительно меньше атома.

В действительности дело обстоит гораздо сложнее, В случае фотонов поглощение происходит за счет электронов, занимающих большую часть объема атома, а в твердом веществе атомы плотно прилегают друг к другу. Антинейтрино же поглощается протонами, расположенными в атомных ядрах, которые занимают ничтожную часть атома. Антинейтрино, пролетая через твердое вещество, очень редко сталкивается с крошечным ядром. Лишь одну стомиллионную всего времени, в течение которого антинейтрино находится внутри атома, оно бывает настолько близко к протону, что последний может захватить его. Следовательно, для того чтобы у антинейтрино был определенный шанс быть пойманным протоном, оно должно пройти в твердом веществе путь в сто миллионов раз больший, чем 230 000 000 км. Было установлено, что в среднем антинейтрино должно пролететь в свинце около 3500 световых лет до поглощения.

Естественно, во Вселенной нигде нет слоя свинца толщиной в 3500 световых лет. Вселенная состоит из отдельных звезд, чрезвычайно редко распределенных в пространстве, а диаметр любой звезды значительно меньше одной миллионной светового года. Большинство звезд состоят из вещества, плотность которого значительно меньшей плотности свинца. Исключение составляет сверхплотное вещество сравнительно небольшого ядра звезды. (Во Вселенной имеются и сверхплотные звезды, но они очень малы — не больше планет.) Но задержать антинейтрино не могут даже сверхплотные части звезд. Пролетая через Вселенную в любом направлении, антинейтрино очень редко проходит сквозь звезду и еще реже — сквозь ее сверхплотное ядро. Суммарная толщина звездного вещества, через которое проходит антинейтрино, пролетая из одного конца видимой Вселенной в другой, значительно меньше одного светового года.

Все, что говорилось здесь относительно антинейтрино, применимо, естественно, к нейтрино, и можно, следовательно, утверждать, что нейтрино и антинейтрино практически не поглощаются. Однажды возникнув в каком-то субатомном процессе, они вечно движутся и не подвержены никаким изменениям и влияниям со стороны всего окружающего. Время от времени они поглощаются, но число поглощенных нейтрино ничтожно по сравнению с огромным числом уже существующих и вновь возникающих. Современные знания позволяют нам с уверенностью сказать, что фактически все нейтрино и антинейтрино, возникшие за время жизни Вселенной, существуют и по сей день.

Как же поймали антинейтрино?

Сделанный выше вывод явился не очень приятной новостью. Сколько бы ни выводил физик необходимость существования нейтрино и антинейтрино из законов сохранения, он был бы по-настоящему счастлив, только действительно обнаружив крошечные частицы прямым наблюдением. Но, чтобы продемонстрировать их существование, он должен сначала поймать хотя бы одну частицу, то есть заставить ее провзаимодействовать с какой-нибудь другой частицей, чтобы можно было обнаружить результат этого взаимодействия. А поскольку поймать нейтрино или антинейтрино фактически было невозможно, возникло серьезное сомнение в реальности их существования!

В результате физик спас свое представление о строении Вселенной, которое развивалось на протяжении трех столетий, настаивая на существовании чего-то, что нужно было принять на веру. Он доказывал существование нейтрино на основе своих теорий и спасал свои теории, утверждая существование нейтрино. Получился «замкнутый круг». Причины для сомнений и неопределенности оставались. Было чрезвычайно важно разработать какой-нибудь метод регистрации нейтрино или антинейтрино, если это вообще возможно.

Брешь в почти непроницаемой броне неуловимого нейтрино была пробита с помощью слова «в среднем». Я говорил, что до поглощения антинейтрино в среднем проходит через слой твердого свинца толщиной 3500 световых лет. Но это только в среднем. Некоторые антинейтрино, возможно, проходят более короткий путь, другие — более длинный, и лишь немногие пройдут до поглощения или очень маленькое, или очень большое расстояние. Следовательно, необходимо сосредоточить внимание на бесконечно малой доле антинейтрино, поглощающихся в такой толщине вещества (скажем, несколько метров), которую легко создать в лаборатории. Чтобы этот бесконечно малый процент содержал возможно большее число антинейтрино, необходимо иметь очень мощный источник этих частиц. Таким мощным источником антинейтрино является ядерный реактор. Образующиеся в реакторе избыточные нейтроны рано или поздно распадаются на протоны, электроны и антинейтрино. Когда реактор работает на полную мощность, непрерывно рождается огромное число антинейтрино. В 1953 году группа американских физиков, возглавляемая Клайдом Коуэном и Фредериком Рейнесом, начала опыты по регистрации антинейтрино. В качестве источника частиц они использовали ядерный реактор в Саванна-Ривер, штат Южная Каролина. Этот реактор испускал каждую секунду примерно 10¹⁸ антинейтрино.



Рис. 7. Детектирование антинейтрино.



Для такого несметного числа антинейтрино нужно было создать мишень, богатую протонами. Простейшей естественной мишенью является вода. Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода, ядра которых представляют собой протоны, и атома кислорода. Коуэн и Рейнес использовали пять баков воды длиной 1,9 м и шириной 1,4 м. Толщина баков была различной (рис. 7). Два тонких бака высотой 7,6 см использовались в качестве мишени. Три других бака высотой 60 см служили детектором. Баки располагали в таком порядке: детектор — мишень — детектор — мишень — детектор. Вода в баках-мишенях содержала небольшое количество растворенного хлористого кадмия. Баки-детекторы содержали раствор сцинтиллятора — вещества, которое излучает часть энергии, полученной им при поглощении субатомной частицы, в виде короткой вспышки света. Такой «двойной сэндвич» из баков располагался на пути потока антинейтрино из реактора. Оставалось только ждать. Если антинейтрино действительно существуют, каждые Двадцать минут (в среднем) одно из них должно поглотиться протоном. Но баки подвергались непрерывному действию космического излучения из межпланетного пространства, бомбардировке частицами, испускаемыми небольшими количествами радиоактивных веществ, находящихся в воздухе, строительных материалах, почве. Вся трудность заключалась в том, чтобы на всем этом фоне событий, происходивших внутри баков с водой, выделить поглощение антинейтрино.

Вначале нежелательный субатомный «шум» не позволял обнаружить поглощение антинейтрино. Постепенно создавалось все более и более эффективное экранирование, чтобы избавиться от нежелательного излучения и частиц. Конечно, антинейтрино никакое экранирование, никакие толщины металла или бетона не могли задержать, и в конце концов «шум» уменьшился до уровня, который уже не скрывал слабый «шепот» очень редких антинейтрино, случайно захваченных протонами. Но этот шепот надо было еще идентифицировать.

При поглощении антинейтрино протоном образуется нейтрон и позитрон — комбинация частиц, которую легко отличить. Как только в одном из баков-мишеней образуется позитрон, он взаимодействует с электроном меньше, чем за одну миллионную секунды, при этом возникает два фотона, каждый из которых имеет энергию 0,51 МэВ. Согласно закону сохранения импульса, два фотона должны разлетаться в точно противоположных направлениях: если один из них из бака-мишени попадает в верхний бак-детектор, то другой должен попасть в нижний бак-детектор. В каждом баке-детекторе возникает вспышка света. Эти вспышки тотчас же автоматически регистрируются сотней или более фотоумножителей, расположенных вокруг баков с водой.

А что же происходит с нейтроном? Обычно он просто блуждает среди молекул воды (которые очень редко поглощают нейтрон), сталкиваясь с ними, пока самопроизвольно не распадется в среднем через 12,8 мин после своего возникновения. Однако ждать так долго ни к чему, так как распад может произойти на несколько минут раньше или позже. Вот здесь-то и приходит на помощь хлористый кадмий в баке-мишени. Нейтрон блуждает до тех пор, пока не столкнется с атомом кадмия, тогда он почти мгновенно поглощается. Происходит это в течение нескольких миллионных долей секунды после аннигиляции позитрона — срок довольно короткий и все же достаточный, чтобы разделить во времени два события: аннигиляцию позитрона и поглощение нейтрона. При поглощении нейтрона атомом кадмия выделяется энергия, которая тотчас излучается в виде трех или четырех фотонов с суммарной энергией 9 Мэв.

Итак, Коуэн и Рейнес наблюдали следующую картину: сначала одновременно появлялись два фотона с энергией 0,5 Мэв каждый, которые регистрировались двумя фотоумножителями на противоположных сторонах баков с водой, затем через несколько миллионных долей секунды следовало одновременное образование трех фотонов с энергией 3 Мэв каждый (иногда четырех фотонов с энергией 2,25 Мэв каждый). Никакое другое субатомное взаимодействие не приводило к такой последовательности событий. И если был зарегистрирован именно такой ход событий, разумно было заключить, что протон поглощает антинейтрино, следовательно, антинейтрино действительно существует.

Но тут в осторожных умах экспериментаторов возникла другая мысль. А что если такая последовательность событий вызвана не одним субатомным взаимодействием, а двумя?

Предположим, что каким-то образом возник позитрон, а через несколько миллионных долей секунды атом кадмия поглотил нейтрон, который существовал независимо от позитрона. В таком случае появление двух, а затем трех фотонов явилось бы результатом не одного взаимодействия (антинейтрино с протоном), а двух совершенно несвязанных взаимодействий. Какое же взаимодействие наблюдали Коуэн и Рейнес?

Экспериментаторы решили проблему, произведя свои измерения сначала с работающим реактором, а затем с выключенным. Если реактор выключить, на баки будет действовать шум, а бомбардировка их потоком антинейтрино прекратится. (На самом деле в окружающем пространстве всегда имеются антинейтрино, но их число намного меньше числа антинейтрино вблизи работающего реактора.) Следовательно, при выключенном реакторе продолжали бы регистрироваться двойные совпадения, а поглощение антинейтрино прекратилось бы.

Оказалось, что с выключенным реактором регистрировалось на 70 событий в день меньше, чем с включенным. Значит, в день поглощалось и регистрировалось 70 антинейтрино (по одному каждые двадцать минут). Результаты эксперимента можно было считать несомненным доказательством, и в 1956 году было сделано сообщение, что спустя целых двадцать пять лет после того, как Паули впервые предсказал существование антинейтрино, такая частица была наконец зарегистрирована. Об этом событии обычно говорят как о «регистрации нейтрино», хотя было зарегистрировано антинейтрино. Однако после того, как «изловили» антинейтрино, физики считают, что существование нейтрино не вызывает сомнения.

Глава 9. Нейтринная астрономия

Антинейтрино и Земля

Как только было доказано существование нейтрино, перед учеными встал вопрос о роли нейтрино во Вселенной. Другими словами, возникло новое направление в науке — нейтринная астрономия.

Мощным естественным источником нейтрино во Вселенной являются радиоактивные атомы. Радиоактивные превращения нестабильных изотопов, имеющих такой большой период полураспада, что они не распались за время существования Земли, почти всегда сопровождаются возникновением β-частиц или α-частиц. Но ни один из естественных радиоактивных атомов, находящихся в земной коре, не излучает позитроны. Это означает, что естественная радиоактивность порождает только антинейтрино, причем одно антинейтрино сопровождает каждую β-частицу.

Естественное образование β-частиц на Земле происходит благодаря распаду главным образом атомов трех типов: урана-238, тория-232 и калия-40. Уран-238, последовательно распадаясь, превращается в конечном счете в свинец-206, испуская в процессе распада восемь α-частиц и шесть β-частиц. При последовательном превращении тория-232 в свинец-208 излучается семь α-частиц и четыре β-частицы. При переходе калия-40 в кальций-40 возникает одна β-частица.

Расчеты, проведенные с учетом разности масс этих атомов, их периода полураспада и распространенности в земной коре, показали, что в каждом килограмме вещества земной коры образуются 7330 β-частиц в секунду (6200 — за счет урана-238, 800 — калия-40 и 330 — тория-232).

Вклад остальных радиоактивных атомов (включая очень редко встречающийся уран-235) так мал по сравнению с перечисленными, что им можно пренебречь. С каждой β-частицей излучается антинейтрино, следовательно, каждый килограмм земной коры непрерывно излучает 7330 антинейтрино, а вся земная кора излучает около 1,75·10²⁶ антинейтрино в секунду.

Эти оценки относятся, конечно, только к земной коре. Уран, торий и калий очень распространены в поверхностных слоях Земли, но они имеются и в более глубоких слоях планеты, которые также участвуют в рождении антинейтрино.

Однако оценки содержания перечисленных элементов в глубоких слоях Земли очень грубые и вряд ли их нужно учитывать при расчетах.

Приблизительно половина всех антинейтрино излучается в направлении к центру Земли и, следовательно, проходит через Землю. Если предположить, что антинейтрино распределяются равномерно по объему Земли, окажется, что в любой части Земли объемом 40 см³ в течение секунды непременно находится одно антинейтрино. Средний объем тела человека равен 70 000 см³, следовательно, каждую секунду через него проходит около 1750 антинейтрино.

Мы этого, естественно, не замечаем, так как антинейтрино не взаимодействует с атомами нашего тела. За семьдесят лет жизни человека имеется приблизительно только один шанс из миллиарда, что какой-нибудь протон его тела поглотит антинейтрино. Через Землю антинейтрино проходят с такой же легкостью, как и через наши тела, и количество поглощенных частиц ничтожно по сравнению с числом антинейтрино, проходящих через нее беспрепятственно.

Нейтрино и Солнце

Рассмотрим теперь термоядерные реакции, происходящие внутри звезд. В звездах, подобных нашему Солнцу, энергия образуется за счет превращения водорода в гелий. Детали превращения могут быть различны, но общим в реакции синтеза является превращение четырех ядер водорода (каждое с зарядом +1) в ядро гелия (с зарядом +2).

В процессе реакции, в соответствии с законом сохранения заряда, образуются два позитрона, каждый из которых несет заряд +1. Таким образом, заряд в начале и в конце реакции равен +4. Четыре ядра водорода в начале реакции имеют суммарное нулевое лептонное число, как ядро гелия в конце ее. Однако каждый позитрон имеет лептонное число -1, поэтому для компенсации суммарного лептонного числа позитронов одновременно с ними должны возникнуть два нейтрино, каждое из которых имеет лептонное число +1. Следовательно, при исчезновении двух атомов водорода на Солнце возникает одно нейтрино (но не антинейтрино).

Полное число нейтрино, образующихся на Солнце, зависит от полного числа сгоревших ядер водорода. В реакции синтеза гелия из водорода 0,71 % массы превращается в энергию, и, как я уже говорил, Солнце каждую секунду теряет 4 600 000 г своей массы. Если эта потеря массы составляет 0,71 % общей массы водорода, превращающегося в гелий каждую секунду, полная масса водорода, участвующего в реакции, равна 650 000 000 т. Но в 650 000 000 т водорода содержится 3,6·10³⁸ протонов. Следовательно, каждую секунду на Солнце рождаются 1,8·10³⁸ нейтрино. Таким образом, число нейтрино, образующихся на Солнце каждую секунду, почти в триллион раз больше числа антинейтрино, возникающих за одну секунду в земной коре, следовательно, наша Вселенная содержит частиц больше, чем соответствующих античастиц. Во Вселенной, состоящей из антиматерии, в процессе естественной радиоактивности возникали бы нейтрино, а при ядерном синтезе — антинейтрино. В такой Вселенной антинейтрино были бы более распространены, чем нейтрино.

Итак, энергия Солнца излучается в пространстве в основном в форме фотонов и нейтрино, а не одних фотонов, причем большая часть энергии уносится фотонами и только не более 5 % уносится нейтрино. Следует отметить, что фотоны и нейтрино уносят эту энергию по-разному. Фотоны, возникающие в чрезвычайно горячем центре Солнца, где процессы ядерного синтеза протекают при температуре около 15 000 000 °C, легко поглощаются окружающим веществом. Прежде чем снова поглотиться, они проходят расстояние порядка одного сантиметра, затем они излучаются, потом снова поглощаются и т. д. Поэтому свой путь через 600 000 км солнечного вещества от центра Солнца к поверхности фотоны проходят очень медленно. По этой причине солнечное вещество — превосходный теплоизолятор и поверхность Солнца имеет температуру только 6000 °C. Конечно, по земным стандартам там довольно жарко, но нужно принять во внимание, что поверхность с температурой 6000 °C находится на расстоянии лишь немногим более 600 000 км от вещества с температурой 15 000000 °C!

Нейтрино, однажды возникнув, уносится со скоростью света, практически не поглощаясь веществом Солнца (за исключением чрезвычайно незначительного числа случаев). Независимо от того, в каком направлении от центра Солнца вылетает нейтрино, оно будет на его поверхности через три секунды. Затем оно вылетит в межпланетное пространство и достигнет Земли за восемь минут (если оно вылетело в нужном направлении). Оно свободно пролетит через Землю самое большее за 1/25 сек и продолжит свое бесконечное путешествие по Вселенной.

Конечно, нейтрино Солнца разлетаются по различным направлениям и все, за исключением ничтожной части их, пролетают мимо Земли, которая представляет собой очень маленькую мишень на таком большом расстоянии от Солнца. Тем не менее, Земля получает от Солнца 8·10²⁸ нейтрино в 1 сек. Это приблизительно в 450 раз больше числа антинейтрино, испускаемых радиоактивными элементами земной коры, а каждый квадратный сантиметр площади поперечного сечения Земли получает 6·10¹⁰ нейтрино каждую секунду.

Солнечная активность является источником большей части получаемых нами нейтрино. Помимо того, на Землю попадают нейтрино от других звезд, но последние настолько далеки от нас, что их нейтрино имеют очень маленькую плотность в околоземном пространстве, поэтому очень немногие из них достигают Земли. (Другими словами, Земля представляет собой значительно меньшую мишень для нейтрино, летящих с альфа Центавра чем для нейтрино Солнца.)

Охота за нейтрино

Если Солнце представляет собой столь щедрый источник нейтрино, почему бы не изловить их, скажем, так же, как были пойманы антинейтрино?

При поглощении антинейтрино протоном образуются нейтрон и позитрон. Когда же нейтрон поглощает нейтрино, происходит как бы зеркальная реакция, при которой образуются протон и электрон, т. е.

ν + п → р⁺+ е^-.

В случае антинейтрино ученые были вынуждены выбрать мишень, богатую протонами, а в последнем случае— богатую нейтронами. Тогда как отдельные протоны легко собрать в виде водорода или химических соединений, содержащих водород, как, например, вода. К сожалению, отдельные нейтроны в больших количествах собрать нельзя. Поэтому пришлось иметь дело с атомными ядрами, содержащими большое количество нейтронов. Бруно Понтекорво предложил использовать хлор-37, который составляет одну четвертую всех атомов хлора. Его ядро содержит 17 протонов и 20 нейтронов. Если один из нейтронов захватит нейтрино, он превратится в протон (и излучит электрон), после чего ядро будет иметь 18 протонов и 19 нейтронов и станет ядром аргона-37. Чтобы сделать большую мишень из нейтронов ядер хлора, можно было бы использовать газообразный хлор или, лучше, жидкий хлор, так как жидкость в данном объеме содержит больше молекул (каждая молекула состоит из двух атомов хлора). Однако хлор — коррозионноактивный газ с сильными токсическими свойствами, а сжижение его представляет большие трудности.

Вместо этого используют органические вещества, содержащие хлор. (Нет оснований сомневаться, что в ядерных реакциях участвуют не только свободные атомы, но и атомы, находящиеся в молекулах.) Обычно используют четыреххлористый углерод, молекулы которого состоят из одного атома углерода и четырех атомов хлора, или тетрахлорэтилен, состоящий из двух атомов углерода и четырех атомов хлора. При комнатной температуре — это жидкости, совершенно безопасные при обычных предосторожностях. (Их часто используют при химической чистке.)

Если атом хлора, который является частью молекулы тетрахлорэтилена, поглощает нейтрино и превращается в атом аргона, его связь с молекулой нарушается, так как атомы аргона не вступают в химическую связь с другими атомами. Таким образом, поглощение нейтрино приводит к образованию свободных атомов аргона из атомов хлора, связанных в молекуле. Свободные атомы аргона в конце концов соберутся в крошечные пузырьки газа.

Немногочисленные атомы аргона можно зарегистрировать лишь благодаря их радиоактивности. Хлор-37 — абсолютно стабильный атом, а аргон-37 — неустойчив, и его обнаруживают даже в малых количествах по особой форме его радиоактивности.

Вид радиоактивности удается установить, если концентрация радиоактивных атомов достаточно велика. Для того чтобы повысить концентрацию аргона, баки после нескольких недель облучения (когда радиоактивных атомов накопится нужное количество) продувают газообразным гелием. Гелий (газ, очень похожий на аргон) увлекает за собой атомы аргона, а после того, как они растворятся в гелии, их легче регистрировать.

С помощью хлор-аргоновой методики американский физик Раймонд Дэвис доказал, что в действительности существуют и нейтрино, и антинейтрино (как это и следовало из закона сохранения лептонного числа).

Предположим, что существуют не две такие частицы, а только одна, и что нейтрино, подобно фотону, является своей собственной античастицей. Тогда во всех субатомных процессах эта частица выступала бы в роли нейтрино и одновременно антинейтрино. Например, если мы обнаружили частицу, которая поглощается протоном, образуя позитрон и нейтрон, та же самая частица должна поглощаться атомом хлора, образуя атом аргона. Первая реакция характерна для антинейтрино, вторая — для нейтрино, и если нейтрино и антинейтрино — одна частица, она одновременно выполняет обе функции.

Ядерный реактор излучает частицы, которые поглощаются протонами. Следовательно, — это антинейтрино. Могут ли те же самые частицы превратить атомы хлора в атомы аргона?

В 1956 году Девис установил баки с тетрахлорэтиленом около реактора и не обнаружил такой реакции, т. е. антинейтрино, существование которых было доказано Коуэном и Рейнисом, по-видимому, не могли выполнять функции нейтрино. Значит, должна существовать другая частица со свойствами нейтрино. Таким образом, закон сохранения лептонного числа был подтвержден.

Следующий этап состоит в непосредственном обнаружении солнечных нейтрино. Для регистрации последних были построены нейтринные телескопы, которые состоят из огромных баков, содержащих 450 000 л или более тетрахлорэтилена, расположенных глубоко под землей. (Дэвис работает в серебряном руднике на глубине полутора километров.) В 1965 году Рейнесом, проводившим исследования в золотом руднике в Южной Америке, за девять месяцев было обнаружено семь нейтрино из межпланетного пространства.

На первый взгляд кажется странным, что астрономические наблюдения должны проводиться глубоко под землей, но это имеет определенный смысл. Через слой земли толщиной в полтора километра проникает очень слабый субатомный «шум». Космические лучи экранируются, и остается лишь «шум», связанный со следами радиоактивных веществ в породах, окружающих шахту. А солнечные нейтрино могут совершенно свободно попасть в бак с тетрахлорэтиленом, хотя он расположен на полуторакилометровой глубине. (С такой же легкостью они могли бы попасть в бак, если бы он находился даже в центре Земли.)

Детектирование солнечных нейтрино имеет огромное значение. Фотоны Солнца проходят невероятно запутанный путь через солнечное вещество, и это путешествие очень сильно изменяет их свойства. Нейтрино же доходят до нас непосредственно из центра.

Зная энергии нейтрино, физики, вероятно, сумеют выяснить характер реакций синтеза, протекающих на Солнце. Энергия образующихся нейтрино зависит от последовательности реакций, в результате которых водород превращается в гелий. Зная энергетический спектр нейтрино, можно определить эту последовательность, которая позволит вычислить внутреннюю температуру Солнца и другие его характеристики. Короче говоря, нейтринная астрономия дает нам возможность «заглянуть» прямо в центр Солнца и узнать много интересного.

Сверхновые звезды и нейтрино

За последние десятилетия астрономы достаточно подробно разработали теории ядерных процессов, протекающих в ядрах старых звезд. Наше Солнце не принадлежит к этой категории звезд. Хотя возраст его исчисляется пятью или шестью миллиардами лет, оно все еще молодо; оно все еще превращает посредством термоядерного синтеза свои обширные запасы водорода в гелий. Звезды, синтезирующие водород, очень устойчивы и существуют многие миллиарды лет без значительного изменения.

В процессе водородного синтеза в центре звезды образуется гелиевое ядро, объем и температура которого все время возрастают. Когда температура увеличивается до определенной величины, становятся существенными ядерные процессы, которые раньше не имели особого значения. Например, при температуре центра Солнца 15 000 000 °C атомы гелия редко участвуют в реакции синтеза. Однако, когда температура достигает 100 000 000 °C, три ядра гелия все чаще начинают сливаться, образуя ядра углерода. Звезда переходит в стадию «гелиевого синтеза» (рис. 8, а).

Внутри гелиевого ядра образуется новое углеродное ядро, и температура в центре его продолжает расти. При температуре 600 000 000 °C из углерода начинает синтезироваться магний. При 2 000 000 000 °C атомы магния образуют серу, а при 4 000 000 000 °C из атомов серы синтезируется железо. (На каждой стадии имеется также несколько сложных побочных реакций.)

Когда звезда начинает сжигать гелий и образует все более и более сложные ядра, она вступает в свою последнюю стадию (см. рис. 8, б). В реакциях синтеза ядер из гелия выделяется сравнительно мало энергии. В реакции синтеза водорода при образовании каждого ядра гелия выделяется энергия 27,5 Мэв, а при переходе от гелия к железу энергия, выделяющаяся при сгорании одного атома гелия, составляет менее 9 Мэв.

Это означает, что звезда, прошедшая стадию водородного синтеза, уже израсходовала приблизительно ²/₃ всех имевшихся запасов ядерной энергии. Последующие изменения должны протекать все быстрее и быстрее, чтобы выделялось достаточно энергии и температура звезды становилась больше и больше. Звезда может перейти от стадии магниевого синтеза к стадии синтеза серы за столетие или даже меньше.

Когда начинает образовываться железо (см. рис. 8, в) звезда вступает в последнюю стадию своего развития поскольку речь идет о термоядерных реакциях, так как ядра железа очень компактны и содержат минимум энергии. Чтобы ядро железа превратить в более сложное ядро при помощи реакции синтеза или в менее сложное посредством реакции деления, необходим приток энергии.



Рис. 8. Эволюция звезды.



Астрономы предполагают, что единственным источником такой энергии может быть только гравитационное поле. Так возродилась теория Гельмгольца о гравитационном сжатии как источнике излучения, но в сильно измененной и более катастрофической форме. Для получения энергии, необходимой для превращения железа обратно в гелий, гравитационное сжатие (коллапс) должно произойти с феноменальной скоростью, т. е. менее чем за день звезда должна сжаться до крошечных размеров.

В результате внезапного и быстрого коллапса вещество звезды сжимается до такой степени, что ядра подходят друг к другу значительно ближе, чем в обычном веществе. Звезда становится белым карликом, состоящим из вырожденного вещества, плотность которого достигает сотен тонн в 1 см³. В процессе коллапса сильно сжимается и вещество во внешних областях, где еще имеются остатки исходного горючего звезды и даже водорода. Когда это горючее сжимается, его температура резко возрастает и мгновенно начинается термоядерная реакция. Так образуется сверхновая — звезда, которая за короткое время излучает энергию со скоростью, во много миллионов раз превышающей скорость излучения обычной звезды. В течение нескольких недель она может излучать энергию, как целая галактика обыкновенных звезд.

Не исключено, что гигантская катастрофа сверхновой играет важную роль во Вселенной. В настоящее время астрономы считают, что в молодости Вселенная состояла только из водорода. Более сложные атомы вплоть до железа медленно образовывались в центрах звезд. Каждая сверхновая благодаря огромному количеству мгновенно освобождаемой энергии могла бы образовать ядра более сложные, чем железо, а затем, взрываясь, рассеять все образовавшиеся атомы в пространство. Благодаря сверхновым, которые взрывались с начала образования Вселенной, вещество, распределенное между звездами, сравнительно богато тяжелыми атомами. Звезды, медленно образующиеся из этого межзвездного вещества (которое когда-то было веществом более ранних звезд), называются вторичными. Вторичные звезды сравнительно богаты тяжелыми атомами, хотя в результате процессов, происходящих в ядрах этих звезд, они не образуются. Такой вторичной звездой является наше Солнце, а Земля существует в своем теперешнем виде только потому, что составляющие ее атомы образовались когда-то в звездах, которые давным-давно взорвались, и если они еще и существуют, то только в виде белых карликов, затерянных в безграничных просторах Вселенной.

По относительной концентрации различных ядер во Вселенной астрономы пытаются понять, какие реакции протекают в центрах звезд на различных этапах, стараясь обосновать все еще не подтвержденную гипотезу эволюции звезд.

Появление сверхновой — довольно редкое явление. Подсчитано, что в любой галактике за тысячу лет появляется только три сверхновых. Полагают, что за последнюю тысячу лет в нашей галактике — Млечном Пути возникли три сверхновых звезды, причем последняя появилась в 1604 году, как раз перед изобретением телескопа.

В наши дни сверхновая может возникнуть в любой момент, и нам остается только надеяться, что к этому времени в области нейтринной астрономии ученые добьются определенных успехов.

После опубликования работ американских физиков Филиппа Моррисона и Хонг-Йи Цзу из Принстонского университета появилась надежда, что это время не за горами. В поисках новых ядерных взаимодействий, которые объяснили бы этапы звездной эволюции, они исследовали характер электрон-позитронного взаимодействия. Обычно такое взаимодействие приводит к образованию двух фотонов γ-лучей. Однако имеется небольшой шанс, что вместо γ-квантов образуются нейтрино и антинейтрино, т. е.

е^- + \'е⁺ → ν + \'ν.

В такой реакции выполняются все законы сохранения. Сохраняется электрический заряд (так как -1 + 1 = = 0 + 0), сохраняется и лептонное число (так как 1–1 = 1–1).

В обычных условиях образование нейтрино при электрон-позитронном взаимодействии чрезвычайно маловероятно. На каждую возникшую таким образом пару нейтрино-антинейтрино приходится по крайней мере 10²⁰ пар фотонов. Поэтому, казалось бы, этим источником нейтрино можно пренебречь.

В центре звезды условия совсем необычные. Когда в процессе эволюции центр звезды становится все горячее и горячее, условия становятся все менее и менее обычными.

Основываясь на теоретических соображениях, Моррисон и Цзу подсчитали, что при возрастании температуры количество пар нейтрино — антинейтрино, образующихся при электрон-позитронных взаимодействиях, становится все больше и больше. Кроме того, фотоны достаточно долго удерживаются в центре звезды, а нейтрино и антинейтрино за несколько секунд покидают звезду.

С помощью пар нейтрино — антинейтрино происходит утечка энергии из звезд, и чем старше звезда, тем больше эта утечка. К тому времени, когда температура ядра звезды достигает 600 000 000 °C, половина энергии ее излучается в виде нейтрино и антинейтрино. При температуре выше 600 000 000 °C звезду с полным основанием можно называть нейтринной.

Такие звезды близки к последней стадии сжатия сверхновой, причем излучение нейтрино, по-видимому, способствует этому коллапсу. Когда температура достигает предельного значения 6 000 000 000 °C и в центре звезды образуется ядро из атомов железа, не способное больше производить ядерную энергию, нейтрино образуется в таком количестве, что звезда начинает катастрофически быстро терять свою энергию. Цзу подсчитал, что при такой температуре нейтрино могут унести все внутренние запасы энергии звезды в течение одного дня. Но внутренние запасы энергии звезды препятствуют ее сжатию под действием собственного гигантского гравитационного поля. Поэтому, как только все внутренние запасы энергии перейдут в нейтринное излучение, звезде остается только сжаться, и тогда возникает сверхновая.

Если эти расчеты верны, появлению сверхновой предшествует необычайно сильное излучение нейтрино, которое продолжается не более нескольких столетий, и нейтринный телескоп обнаружил бы, что некоторые части неба являются такими сильными источниками нейтрино. (По расчетам Цзу, каждые 10—100 сек телескоп регистрировал бы одно нейтрино от источника, находящегося на расстоянии тысячи световых лет.) Эти источники предупреждали бы нас о появлении сверхновой (или катастрофах другого типа).

До сих пор сверхновые изучались только после их взрыва. Если нейтринная астрономия позволит изучать сверхновые непосредственно перед взрывом, можно будет получить массу информации о внутренних областях звезд. Волнение и радость астрономов будут неописуемы.

Вселенная и нейтрино

На самом деле нейтринная астрономия, вероятно расскажет нам даже о более общих свойствах Вселенной. Как я уже говорил, в обычной Вселенной преобладают нейтрино, во Вселенной из антивещества должны преобладать антинейтрино. Какова же плотность нейтрино во Вселенной? Ответить определенно на этот вопрос пока нельзя, хотя кое о чем мы догадываемся.

В любой части Вселенной существуют огромные потоки нейтрино, поскольку все звезды излучают нейтрино (или антинейтрино, если звезда состоит из антивещества), которые фактически никогда не поглощаются. Эти потоки являются свидетелями событий, которые происходили в течение всей истории Вселенной и происходят в настоящее время.

Вполне возможно, что «нейтринный фон» Вселенной имеет свои характерные особенности. Если бы мы обладали способностью видеть нейтрино, мы обнаружили бы, что во Вселенной фактически ничего нет, кроме нейтрино, а все остальные частицы являются, так сказать, незначительными примесями, которые кажутся нам преобладающими во Вселенной только потому, что мы не ощущаем фон. Как только мы начнем регистрировать случайные нейтрино, мы многое узнаем о Вселенной и ее истории, о которой сейчас только догадываемся или вообще даже не подозреваем.

Очевидно, в первую очередь необходимо измерить относительное число нейтрино и антинейтрино, которые доходят до нас из всей Вселенной. Если будут обнаружены только нейтрино, будет доказано, что наша Вселенная состоит из обычного вещества с незначительной примесью антивещества. Если же продолжать настаивать на том, что антивещество существует в равных количествах с веществом (согласно законам сохранения барионного и лептонного чисел), тогда, возможно, это антивещество нельзя обнаружить, и оно образует отдельную «Антивселенную».

Если нейтрино и антинейтрино будут обнаружены приблизительно в одинаковых количествах, значит, Вселенная состоит приблизительно из равных количеств вещества и антивещества. В этом случае нетрудно будет обнаружить отдельные галактики и антигалактики, заметив, откуда именно вылетают нейтрино и антинейтрино.

Если же, напротив, будут зарегистрированы потоки, в основном состоящие из антинейтрино, большая часть Вселенной, следовательно, состоит из антивещества. В таком случае Млечный Путь, в котором находится наше Солнце, — одна из немногих галактик, состоящих из обычного вещества.

Великие открытия нейтринной астрономии — в будущем, а пока можно придумывать самые невероятные вещи. Например, в 1962 году на основе чисто математических соображений было высказано предположение, что нейтрино могут путешествовать в прошлое [17].

Подчас новые факты не укладываются в рамки наших представлений. В том же 1962 году было сделано открытие, связанное с нейтрино, которое было неожиданным и довольно удивительным, хотя и не относилось к путешествию сквозь время.

Глава 10. Ядерное поле

Отталкивание внутри ядра

К 1932 году стало ясно, что ядра состоят исключительно из протонов и нейтронов. От более ранних теорий, которые утверждали, что в ядре находятся электроны, отказались. Хотя это решило сразу много проблем, возник вопрос, которого не было раньше.

До сих пор физики понимали, что удерживает нуклоны вместе. Когда же электрон перестали включать в состав ядра, эта уверенность пропала.

Все протоны несут положительные заряды и поэтому отталкиваются друг от друга. Присутствие в ядре электронов привело бы к появлению сил притяжения, так как протоны и электроны, несущие разноименные заряды, притягиваются друг к другу. Следовательно, электроны играли бы роль «ядерного цемента». С другой стороны, электрически нейтральные нейтроны не притягивают и не отталкивают протоны и, казалось бы, не могут служить таким ядерным цементом.

Отталкивание между протонами достаточно велико. В 1785 году Кулон (по имени которого впоследствии назвали единицу заряда) выразил силу отталкивания между двумя положительно заряженными телами следующим уравнением: