13.8. Нейтрино

Нейтрино — единственная частица, которая не участвует ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях. Исключая гравитационное взаимодействие, в котором участвуют все частицы, нейтрино может принимать участие лишь в слабых взаимодействиях.

Гипотеза о существовании нейтрино была высказана в 1932 г. Непосредственное наблюдение антинейтрино было осуществлено в серии опытов Ф. Рейнеса и К. Коуэна. Наблюдалась реакция v + p→n+ , которая является обращением реакции распада нейтрона. Свидетельством того, что антинейтрино вступило в реакцию с протоном, служил факт одновременного возникновения нейтрона и позитрона (рис. 13.6). Позитрон практически сразу же аннигилировал с электроном, что приводило к возникновению двух γ-квантов, энергия каждого из которых равна 0,51 МэВ. Нейтрон после замедления захватывался ядром кадмия. Образовавшееся в результате возбужденное ядро высвечивало несколько γ-фотонов с суммарной энергией 9,1 МэВ.

Э кспериментально было установлено, что в одних процессах нейтрино (или антинейтрино) возникает вместе с электроном (позитроном), в других процессах—вместе с мюоном. Считалось, что первые (электронные) нейтрино ν_е тождественны со вторыми (мюонными или мю-мезонными) нейтрино ν_е . В 1962 г. было доказано экспериментально, что это не так. Понтекорво предложил облучать вещество образующимися при распаде π⁺→μ⁺+ ν_μ мюонными нейтрино и наблюдать возникающие частицы. Присутствие среди них как , так и указывало бы на тождественность v_e и ν_μ. Присутствие только свидетельствовало бы о различии электронных и мюонных нейтрино.

Опыт был осуществлен Ледерманом, Шварцем и др.. Из камеры ускорителя на 30 ГэВ были выведены π⁺-мезоны с энергией в 15 ГэВ. Процесс π→μ-распада приводил к образованию мюонных нейтрино с энергией ~500 МэВ. Поток ν_μ направлялся в искровую камеру. Было зарегистрировано 34 случая рождения мюонов и ни одного случая рождения электронов. Этот результат служит доказательством того, что существуют четыре различных нейтрино:ν_е , ν_е , ν_μ , ν_μ .

9. Стандартная модель элементарных частиц. Проблема объединения фундаментальных взаимодействий. Кварки

Таблица 13.2

Закон сохранения	Сильное взаимодействие	Электромагнитное взаимодействие	Слабое взаимодействие
Энергии Е	+	+	+
Импульса р	+	+	+
Момента импульса (спина) М	+	+	+
Электрического заряда Q	+	+	+
Барионного заряда В	+	+	+
Лептонного заряда L	+	+	+
Изотопического спина Т	+	-	-
Гиперзаряда Y (или странности S)	+	+	-
Зарядового сопряжения C	+	+	-
Четности Р	+	+	-
Комбинированной четности СР	+	+	-

Закономерности, наблюдаемые в мире элементарных частиц, могут быть сформулированы в виде законов сохранения ( табл.13.2). Некоторые из них оказываются не точными, а лишь приближенными. Так, например, закон сохранения гиперзаряда Y (или странности S) выполняется в случае сильных и электромагнитных взаимодействий и нарушается в слабых взаимодействиях (соблюдение закона в данном виде взаимодействия указано в табл. 13.2 знаком плюс, нарушение —знаком минус).

Каждый закон сохранения выражает определенную симметрию системы. Законы сохранения импульса р, момента импульса М и энергии Е отражают свойства симметрии пространства и времени: сохранение энергии есть следствие однородности времени, сохранение р обусловлено однородностью пространства, а сохранение М — его изотропностью. Закон сохранения четности связан с симметрией между правым и левым (Р-инвариантность). Симметрия относительно зарядового сопряжения (симметрия частиц и античастиц) приводит к сохранению зарядовой четности (С-инвариантность). Законы сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов выражают особую симметрию волновой функции. Наконец, закон сохранения изотопического спина отражает изотропность изотопического (зарядового) пространства. Несоблюдение одного из законов сохранения означает нарушение в данном взаимодействии соответствующего вида симметрии. Например, электромагнитное взаимодействие нарушает симметрию изотопического пространства, вследствие чего изотопический спин Т не сохраняется в электромагнитных взаимодействиях.

Введение квантового числа Т (изотопического спина) позволило объединить частицы в зарядовые мультиплеты. Расширение схемы изотопического спина привело Гелл-Манна и независимо от него Ю.Неймана к созданию в 1961г. Теории унитарной симметрии элементарных частиц. В этой теории предполагается, что сильное взаимодействие относительно специальных преобразований инвариантно в некотором трехмерном комплексном векторном пространстве (пространстве унитарного спина), которые сохраняют неизменным изотопический спин Т и гиперзаряд Y. Таким способом удается сгруппировать зарядовые мультиплеты в супермультиплеты (или унитарные мультиплеты). Частицы, составляющие супермультиплет, должны иметь одинаковые спин и четность Р. Они могут отличаться по массе, электрическому заряду, гиперзаряду и изотопическому спину, однако эти величины должны быть связаны между собой определенными правилами.

Систему симметрии частиц, устанавливаемую унитарной теорией, называют также восьмеричным путем, поскольку в ней производятся действия над восемью квантовыми числами.

Н а рис13.7 изображен октет (супермультиплет, включающий 8 частиц), объединяющий нуклоны (n, р) и Λ-, -, Ξ-гипероны. Все они имеют спин 1/2 и положительную четность. Справа приведена масса частиц (в МэВ), внизу— электрический заряд Q, слева —значения гиперзаряда Y и изотопического спина Т.

Резонансы, обозначаемые Δ , образуют декаплет, приведенный на рис. 13.8.

Массы этих частиц отличаются на почти одинаковую величину (~145 МэВ).Частицы, входящие в декаплет, имеют спин ³/₂ и положительную четность. В момент создания теории Ξ*-гипероны и -гиперон еще не были известны. Резонансы Ξ*^- и S*⁰ были обнаружены в 1962 г. Оставалась незаполненной вершина пирамиды. Гелл-Манн предсказал, что отвечающая ей частица должна иметь спин, равный ³/₂, гиперзаряд Y = -2 и массу около 1676 МэВ (на 146 МэВ больше, чем масса Ξ*-частиц). В 1964 г. был зафиксирован процесс рождения и распада -гиперона. Его свойства, в частности масса, в точности совпали с предсказанными теорией. Таким образом, открытие -гиперона явилось триумфом теории унитарной симметрии.

Так называемых элементарных частиц стало так много (вместе с резонансами более ста), что возникли серьезные сомнения в их элементарности. Каждая из сильно взаимодействующих частиц характеризуется тремя независимыми аддитивными квантовыми числами: зарядом Q, гиперзарядом Y и барионным зарядом В. В связи с этим появилась гипотеза о том, что все частицы построены из трех фундаментальных частиц — носителей этих зарядов, кварков. Первая модель подобного рода была предложена японским физиком С. Саката, который считал фундаментальными частицами протон р, нейтрон n и Λ°-гиперон. Однако схема Саката оказалась неприменимой в области сильных взаимодействий. Кваркам приписываются дробные квантовые числа, в частности электрический заряд, равный -1/3, -1/3 и + 2/3 соответственно для каждого из трех кварков. Были предприняты попытки обнаружить кварки, для чего искали частицы со значительно меньшей ионизирующей способностью, чем у обычных частиц (ионизирующая способность частицы с зарядом 1/3 должна быть в 9 раз меньше, чем у частицы с зарядом 1). Однако пока кварки не обнаружены, и их существование является проблематичным.

Положение, сложившееся в физике элементарных частиц, сильно напоминает положение, создавшееся в физике атома после открытия в 1869 г. Д. И. Менделеевым периодического закона. Точно так же физики научились систематизировать элементарные частицы, разработанная систематика в ряде случаев позволила предсказать существование новых частиц и предвосхитить свойства этих частиц. Однако, поиски систематики частиц находятся примерно в такой же стадии, как поиски периодической системы элементов, когда ими начинал заниматься Менделеев. Сейчас мы подходим к новому этапу познания фундаментальных законов строения природы, из которых как частный случай общего должны будут вытекать и квантовая теория, и теория относительности, и теория Ньютона.