Атомный проект. Жизнь за «железным занавесом» - Бруно Понтекорво

Таким образом, существование частицы В помогает понять трудный теоретический вопрос. В настоящее время в разных лабораториях предпринимаются попытки наблюдать эту частицу при помощи пучков нейтрино высокой энергии.

Но, оказывается, и существование этой гипотетической заряженной частицы создает определенные трудности.

Дело в том, что на основании ее существования физики предсказали ряд процессов, которые в действительности не происходят. Правда, трудность довольно общая и не связана только с существованием частицы В, но она особенно ярко проявится, если заряженный промежуточный бозон существует. Типичный пример таких неосуществимых процессов — так называемый радиационный распад мюона, т. е. испускание мюоном электрона и фотона:

μ± → е± + γ

В течение долгого времени физики безуспешно пытались обнаружить этот процесс. Что же запрещает мюону превращаться в электрон и фотон? Здесь следует возвратиться к общему понятию о зарядах частиц.

Вспомним, что при разных превращениях любой заряд сохраняется точно так же, как электрический. Именно тот факт, что некоторые, на первый взгляд возможные, превращения частицы на самом деле не наблюдаются, заставил ввести понятие разных зарядов. Неуничтожаемость заряда (любого, а не только электрического) запрещает эти превращения. Например, мы знаем, что нуклоны — протоны и нейтроны — никогда не распадаются только на «легкие частицы». Это позволяет утверждать, что нуклон имеет так называемый барионный заряд, а никакая комбинация легких частиц барионного заряда не имеет.

Сразу возникает подозрение, что процессы типа распада мюона на электрон и фотон, которые ожидались теоретически, но в действительности не происходят, запрещены законом сохранения некоторого до сих пор неизвестного заряда, скажем, «мюонного» заряда, характерного для мюона, но не для электрона. Здесь следует напомнить, что фотон — истинно нейтральная частица. Он не имеет никаких зарядов.

Однако имеется один процесс — распад мюона, в котором мюон и электрон участвуют совместно. Такой процесс состоит в испускании мюоном электрона совместно с двумя разными частицами ничтожно малой массы, о чем свидетельствуют экспериментальные исследования формы спектра электронов в этом процессе. На этом основании долго думали, что процесс идет по схеме

μ± → е± + ν + ṽ

Но такая схема трудно совместима с предположением о существовании мюонного заряда, запрещающего переход мюона в электрон и фотон. Ведь пара νν-, по определению частицы и античастицы, не имеет никаких зарядов, как и фотон, так что в описанной схеме мюонный заряд, если он существует, не сохраняется.

Можно предположить, что имеются два сорта пар нейтрино — антинейтрино: «мюонные» и «электронные». При этом они отличаются друг от друга тем, что у «мюонных» нейтрино νμ (но не у «электронных» νe) имеется мюонный заряд.

Тогда распад мюона может происходить по схеме

µ+ → e+ + νe + ṽµ

и мюонный заряд сохраняется, поскольку разница зарядов мюона и электрона, так сказать, компенсируется разницей зарядов испускаемых «неуловимых» частиц.

В настоящее время неизвестно, все ли приведенные аргументы правильны, но именно они, по существу, заставили советского физика Моисея Александровича Маркова и других ученых предсказать существование двух типов нейтрино. Это разрешило бы трудности, связанные с отсутствием процесса распада мюона на электрон и фотон и с возможностью существования B-частицы.

Таким образом, сегодня выявляются следующие главные проблемы физики нейтрино высоких энергий:

Как зависит интенсивность слабого взаимодействия от энергии?

Первично ли слабое взаимодействие или оно обусловлено некоторой промежуточной частицей?

Существует ли в природе только одна пара нейтрино или их две пары: νeṽe и νμṽμ?

Нейтрино обязательно должно играть роль в явлениях макроскопического масштаба.

Прежде всего необходимо сказать (более подробно мы поговорим об этом ниже), что внутри звезд нейтрино образуются в большом количестве при ядерных превращениях, в частности при бета-распаде разных нестабильных ядер. Заметим, что сомнений в существовании такого испускания нейтрино звездами практически нет, хотя оно еще не обнаружено экспериментально.

Естественно, что нейтрино выходят без всяких затруднений, скажем, из Солнца.

А вот еще один пример макроскопического эффекта. Урановый атомный реактор мощностью в сотни тысяч киловатт «теряет» в виде антинейтрино десятки тысяч киловатт!

Часто встречаются ситуации, когда конкретную количественную роль нейтрино в том или ином явлении нельзя оценить из-за отсутствия сведений о некоторых его свойствах. Например, ответ на такой довольно тонкий вопрос физики элементарных частиц, как существование процесса нейтрино-электронного рассеяния, о котором говорилось выше, имеет далеко идущие астрофизические следствия.

В самом деле, в последние несколько лет было показано, что существование этого явления должно привести к новому механизму интенсивной потери энергии звездами, связанному с испусканием пар нейтрино — антинейтрино. Этот механизм должен иметь место на таких стадиях эволюции звезд, когда их температуры и плотности очень высоки. Оказывается, что «нейтринная» светимость некоторых звезд может намного превышать их «световую» светимость. Однако неизвестно, осуществляется ли этот процесс в действительности.

Во всяком случае, нигде так ясно не проявляется связь между микромиром и космосом, как в физике нейтрино. Недавно родилась новая область науки — нейтринная астрофизика, описывающая многочисленные явления, в которых нейтрино играют первостепенную роль. Нейтринная астрофизика имеет две стороны.

Во-первых, нейтрино участвуют в ряде процессов, происходящих внутри звезд. Поэтому астрофизика, как теоретическая наука, должна учитывать роль «неуловимых» частиц в динамических внутризвездных процессах. Не исключено, что нейтрино будут играть существенную роль и для космогонии.

Во-вторых, нейтрино, испускаемые звездами и вообще исходящие из космического пространства, могут быть зарегистрированы в опытах, выполненных на Земле. Есть надежда таким образом получить ценные данные о Вселенной.

Эта сторона нейтринной астрофизики как экспериментальной науки особенно заманчива. Дело в том, что до сих пор нам был доступен практически единственный тип излучения, попадающего на Землю из космического пространства, — электромагнитные волны (видимый свет, инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, короткие радиоволны). Правда, в последнее время с позиций астрофизики исследуются также космические лучи. Но об этом здесь мы говорить не будем.

Представьте себе, что со временем физики и астрофизики, работая совместно, получат возможность регистрировать интенсивность и энергию нейтрино и антинейтрино, летящих от отдельных небесных объектов и из космического пространства. Тогда в руках исследователей появятся мощные дополнительные способы решения астрофизических проблем. Заметим, в частности, что электромагнитные волны исходят только с поверхностного слоя небесных тел. Регистрация же нейтрино даст возможность «заглянуть» очень глубоко внутрь звезд. Ведь нейтрино легко пронизывают Солнце!