§ 81. 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.

Долгое время оставалось неясным, чем отличается нейтрино от антинейтрино. Открытие закона сохранения комбинированной четности (см. предыдущий параграф) дало возможность ответить на этот вопрос: они отличаются спиральностью. Под спиральностью понимается определенное соотношение между направлениями импульса и спина s частицы. Спиральность считается положительной, если спин и импульс имеют одинаковое направление. В этом случае направление движения частицы и направление «вращения», соответствующего спину, образуют правый винт (рис. 81.1, а). При противоположно направленных спине и импульсе (рис. 81.1, б) спиральность будет отрицательной (поступательное движение и «вращение» образуют левый винт). Очевидно, что спиральность можно определить как знак скалярного произведения sp.

Рис. 81.1.

Спиральность может иметь абсолютное значение, т. е. быть внутренним свойством, лишь для частицы с нулевой массой покоя (такая частица существует, только двигаясь со скоростью с). Частица, масса покоя которой отлична от нуля, будет двигаться со скоростью и, меньшей с. Спиральность такой частицы в системах отсчета, движущихся со скоростями, меньшими V, и со скоростями, большими v (но меньшими с), будет различна (импульс частицы в таких системах отсчета имеет противоположные направления).

До 1980 г. предполагали, что масса нейтрино равна нулю. Поэтому считали, что спиральность является внутренним свойством нейтрино (и антинейтрино), сохраняющимся при всех процессах, в которых участвуют нейтрино.

Однако в течение 1975—1980 гг. В. А. Любимов, Е. Г. Новиков, В. 3. Нозик, Е. Ф. Третьяков и В. С. Козик провели эксперименты, в результате которых они пришли к выводу, что масса покоя нейтрино отлична от нуля и, вероятно, находится в пределах от 15 до 44 эВ, а скорее всего составляет 35 эВ (т. е. 0,00007-ю часть массы электрона). Если результаты этих опытов подтвердятся, придется внести существенные поправки в сложившуюся картину как микромира (т. е. мира элементарных частиц), так и, в особенности, макромира (т. е. Вселенной). Изучение вопроса о массе нейтрино продолжается.

Согласно развитой Янгом и Ли, Ландау, а также Саламом теории продольного нейтрино все существующие в природе нейтрино, независимо от способа их возникновения, всегда бывают полностью продольно поляризованы (т. е. спин их направлен параллельно или антипараллельно импульсу р). Нейтрино имеет отрицательную (левую) спиральность (ему соответствует соотношение направлений , изображенное на рис. 81.1, б), антинейтрино — положительную (правую) спиральность (рис. 81.1, а). Таким образом, спиральность — это то, что отличает нейтрино от антинейтрино.

При отражении в зеркале правая спираль превращается в левую. Следовательно, существование у нейтрино спиральности противоречит закону сохранения пространственной четности (частица не совпадает со своим отображением). Однако, если одновременно с отражением в зеркале заменить нейтрино (обладающее левой спиральностыо) на антинейтрино (обладающее правой спиральностыо), то будут соблюдены требования закона сохранения комбинированной четности.

Наличие у нейтрино спиральности обнаруживается в цепочке превращений . В конце своего пробега -мезон распадается на мюон и нейтрино:

Спин -мезона равен нулю, импульс в конце пробега также обращается в нуль. Поэтому мюон и нейтрино должны разлететься в противоположные стороны, причем нейтрино «навяжет» мюону свою спиральность (рис. 81.2), иначе спин системы не останется равным нулю.

Мюон в конце своего пробега распадается по схеме

Поскольку в данном случае мы имеем дело с распадом поляризованных мюонов, при их распаде должно наблюдаться то же явление, что и при -распаде поляризованных ядер (в опыте By) — угловое распределение позитронов должно быть анизотропно относительно направления поляризации мюона, т. е. относительно направления его движения до остановки.

Действительно, исследование фотографий, на которых зафиксированы процессы распада в пузырьковой камере, показывает, что позитроны испускаются чаще в направлении, обратном направлению движения мюонов (см. рис. 81.2).

Рис. 81.2.

Г ипотеза о существовании нейтрино была высказана в 1932 г. В последующую четверть века было получено множество косвенных доказательств этой гипотезы, однако непосредственно наблюдать нейтрино не удавалось. Причина этого заключается в том, что, не обладая электрическим зарядом и ощутимой массой, нейтрино крайне слабо взаимодействуют с веществом. Так, например, нейтрино с энергией ~ 1 МэВ имеет в свинце пробег см, или 100 световых лет. Только после создания ядерных реакторов, которые являются источниками мощных потоков нейтрино появилась возможность наблюдать реакции с участием этих неуловимых частиц.

Непосредственное наблюдение антинейтрино было осуществлено в серии опытов Ф. Рейнеса и К- Коуэна (1953—1956), Наблюдалась реакция

которая по существу является обращением реакции (66.7) распада нейтрона. Свидетельством того, что антинейтрино вступило в реакцию с протоном, служил факт одновременного возникновения нейтрона и позитрона (рис. 81.3). Позитрон практически сразу же аннигилировал с электроном, что приводило к возникновению двух -квантов, энергия каждого из которых равна 0,51 МэВ. Нейтрон после замедления захватывался ядром кадмия. Образовавшееся в результате возбужденное ядро высвечивало несколько -фотонов с суммарной энергией 9,1 МэВ. Установка изображена схематически на рис. 81.4. Мишенью служили два сосуда (190Х130X7 см), заполненные раствором хлористого кадмия в воде. Три бака (190Х130X60 см) наполнялись жидкостью, способной сцинтиллировать под действием -фотонов.

Сцинтилляционные вспышки регистрировались 110-ю фотоумножителями. Для защиты от космического излучения и выходящих из реактора нейтронов резервуары были заключены в парафиновую, а затем в свинцовую оболочки. Все устройство было глубоко зарыто в землю вблизи большого реактора.

Сцинтилляционная вспышка, вызванная захватными -фотонам и, запаздывала по отношению к вспышке, обусловленной аннигиляционными -фотонами, на несколько десятков микросекунд.

Рис. 81.3.

Рис. 81.4.

Обе вспышки регистрировались по схеме запаздывающих совпадений; кроме того, оценивалась также энергия -фотонов, вызвавших каждую вспышку (1,02 МэВ и 9,1 МэВ). Это позволяло надежно отделить исследуемый эффект от фона, обусловленного другими процессами. Опыт продолжался 1371 час (57 дней). В час регистрировалось в среднем около трех двойных вспышек ожидаемой интенсивности. Эти результаты служат прямым доказательством существования антинейтрино.

В одних процессах нейтрино (или антинейтрино) возникает вместе с электроном (позитроном), в других процессах — вместе с мюоном (примеры можно найти в табл. 77.1). Долгое время полагали, что первые (электронные) нейтрино тождественны со вторыми (мюонными) нейтрино . В 1962 г. было доказано экспериментально, что это не так. Идея опыта принадлежит Б. Понтекорво. Обращением реакции (70.9) будет процесс

(см. подстрочное примечание на стр. 294). Возможен также аналогичный процесс, в котором вместо электрона возникает мюон:

(частица, участвующая в этой реакции, должна быть, очевидно, не электронным, а мюонным нейтрино).

Понтекорво предложил облучать вещество образующимися при распаде мюонными нейтрино и наблюдать возникающие частицы. Присутствие среди них как так и указывало бы на тождественность Присутствие только свидетельствовало бы о различии электронных и мюонных нейтрино.

Опыт был осуществлен Ледерманом, Шварцем и др. в Брукхэвене (США). На ускорителе получались -мезоны с энергией в 15 ГэВ. Процесс -распада (см. ) приводил к образованию мюонных нейтрино с энергией МэВ. Поток этих нейтрино направлялся в искровую камеру с массивными железными пластинами (общей массой 10 т). За 800 часов был зарегистрирован 51 случай рождения мюонов и ни одного случая рождения электронов. Этот результат служит доказательством того, что мюонные нейтрино не тождественны электронным нейтрино

В связи с необходимостью различать электронное и мюонное нейтрино в формулах (66.7), (70.7), (70.8) и (70.9) символ нейтрино должен быть дополнен индексом а в формулах — индексом Формулы (69.5) должны быть написаны следующим образом: