Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы
Шрифт:
Непосредственно получить мюонные нейтрино смогли в 1960–1962 гг. Леон Ледерман (р. 1922), Мелвин Шварц (р. 1932) и Джек Штейнбергер (р. 1921). Чтобы оценить всю сложность подобных экспериментов, опишем их работу чуть подробнее.
По расчетам из каждых 10 миллиардов нейтрино, проходящих через Землю, только одна частица вступает во взаимодействие со своим окружением. Поэтому их эксперимент проводился таким образом. Мощный поток протонов из ускорителя направлялся на мишень из бериллия, так что поток образовавшихся на ней частиц включал в себя множество пионов. Их распад на лету порождал мюоны и мюонные нейтрино, и продукты распада направлялись на стальной барьер толщиной в 13,4 м, который заведомо должен был поглотить все частицы кроме нейтрино. Затем этот поток нейтрино вводился в большой алюминиевый
Таким образом, семейство слабо взаимодействующих частиц включало в себя пары (+, – ), (е+, е– ), (,), (е,е) — их всех назвали лептонами (от греческого и еврейского — мелкая монета, мелочь, ср. русскую идиому «внести свою лепту»). Название это прижилось, хотя оказалось не очень удачным.
В 1975 г. Мартин Перл (р. 1929, Нобелевская премия 1995 г.) открыл — при изучении на коллайдере столкновений высокоэнергичных пучков электронов и позитронов — еще один лептон, названный тритоном (от греческого — третий) или -лептоном. Как будто в насмешку над родовым именем «лептон», масса его оказалась примерно вдвое больше массы протона или нейтрона, но свойства были того же типа, как у электронов или мюонов: его рождение или распад всегда связаны с появлением специфического, только ему сопутствующего тау-нейтрино. Если среднее время жизни мюона — порядка двух миллионных секунды, то тау-лептон распадается в миллиард раз быстрее, но зато, так как у него большая масса, он может распадаться многими разными путями.
Неизвестно также, могут ли существовать и другие типы лептонов. Дело в том, что еще одно двухкомпонентное уравнение предлагал в 1937 г. Этторе Майорана (1906–1938, гениальный, по-видимому, физик, сотрудник Ферми, причины исчезновения которого остаются неизвестными). В его теории частицы и античастицы должны быть тождественными — эти майорановские лептоны тоже ищут, но пока безрезультатно. (Опять физики берут на вооружение старый принцип демократии: все, что не запрещено, — разрешено, а запретов на существование таких частиц тоже нет.)
А вот есть ли у этих нейтрино, мюоного и тау-лептонного, масса или нет — вопрос до сих пор нерешенный: из измерений следует пока только, что у масса не может превышать одной десятой массы электрона, а у она не больше, чем масса сорока электронов. Лептоны подразделяются, очевидно, на три семейства: электронное (е, е), мюонное (, ) и тау (, ) — и для каждого из них есть свой закон сохранения, есть, иными словами, три вида лептонных «зарядов» (впервые, по-видимому, понятие лептонного заряда ввел Я. Б. Зельдович еще в 1952 г.). А вот являются эти законы сохранения абсолютными, или возможны переходы одного типа нейтрино в другой — это точно не известно, хотя астрономические данные говорят, как будто, в пользу возможности таких переходов.
Можно ли говорить о том, как устроены внутри элементарные частицы? Это, казалось бы, бессмысленно, потому что, если у них есть внутренняя структура, то их можно будет разбить на более простые части.
Но с другой стороны, представлять их точечными образованиями тоже не удается. И фактически, первый пример тому дало изучение свойств нейтрона. У нейтрона нет электрического заряда, но есть, однако, магнитный момент, а он, мы знаем,
Но тогда и протон может часть своего времени проводить как «нейтрон + пи-плюс-мезон» (р <-> +n, возможны и переходы р <-> 0р — «протон + пи-ноль-мезон»). А дальше естественно заключить, что на какую-то меньшую часть времени и, соответственно, на более близком к центру расстоянии нейтрон может породить не один, а два, три и т. д. пионов, а может, скажем, породить на еще меньшее время пару протон-антипротон и т. д. Все такие «временные» частицы называются виртуальными (от латинского «виртуалис» — скрытые, но могущие проявиться) и, как видим на примере магнитных моментов нейтрона, их свойства весьма ясно проявляются и могут быть, в принципе, измерены.
Все эти возникающие и снова исчезающие виртуальные частицы образуют вокруг своего «хозяина» некую виртуальную «шубу». Поэтому основную рассматриваемую частицу никак, с одной стороны, нельзя считать точечной, а с другой стороны, ей нельзя приписывать и строго определенные размеры: ее «шуба» все время дышит, меняется, является динамическим образованием. Приходится для описания свойств этой «шубы», т. е. самой частицы, вводить понятие формфактора, распределения вероятности найти заряды на таком-то расстоянии от ее центра.
Тут естественно было бы задать вопрос: почему мы говорим о виртуальных образованиях вокруг нуклонов, чем электрон хуже? И действительно, вокруг электрона тоже должна образовываться такая шуба, но поскольку его масса мала, то испускать и ловить обратно он скорее всего будет не мезоны, а фотоны, а на меньшие расстояния — и пары электрон-позитрон. О такой шубе электрона мы уже говорили — благодаря ее наличию и возникает черенковское излучение: шуба периодически отрывается от «сверхсветового» в данной среде электрона и превращается в реальный фотон.
Форму форм-факторов нуклонов экспериментально смог определить Роберт Хофштадтер (1915–1990, Нобелевская премия 1961 г.) [41] . Начал он с того, что еще в 1948 г. разработал сцинтилляционный детектор на основе кристалла соли иодида натрия, «легированного» небольшим количеством таллия. При столкновении с таким кристаллом частицы высокой энергии или фотона возникает вспышка света, интенсивность которой пропорциональна энергии частиц или фотона (сцинтилляторами пользовался некогда и Резерфорд, но они были гораздо менее чувствительными). На этой основе Хофштадтер построил сцинтилляционный спектрометр и приспособил его как регистратор углов рассеяния электронов от ускорителя, разгонявшего их до энергии в 500 МэВ, при которой длина волны электрона меньше характерных размеров атомных ядер. Следовательно, ускоритель можно было бы использовать как гигантский электронный микроскоп, позволяющий исследовать структуру ядер: при столкновении с ядром разогнанный электрон в некоторых случаях только отклоняется, как бильярдный шар (случаи, при которых ядро разрушалось, он отбрасывал).
41
Его сын, Д. Хофштадтер, автор культовой книги «Гёдель, Эшер, Бах: эта бесконечная гирлянда» (Хофштадтер Д. Гёдель, Эшер, Бах: эта бесконечная гирлянда. Бахрах-М, 2001), пытается синтезировать миропонимание науки и искусства.