Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Сразу же и почти одновременно Янг и Ли, Л. Д. Ландау и Абдус Салам предположили, что должна сохраняться комбинированная СР-четность: при отражении в зеркале одновременно с изменением знака координат и поляризации нейтрино переходит в антинейтрино. (Ли и Янг очень быстро, уже в 1957 г. получили Нобелевскую премию.)

Позднее закон сохранения комбинированной четности (и несохранения Р- и С-инвариантности по отдельности в слабых и только в слабых взаимодействиях) был подтвержден во многих других экспериментах.

Но в 1964 г. Джеймс У. Кронин (р. 1931) и Вел Л. Фитч (р. 1923) обнаруживают, что при одном из типов распадов К-мезонов (или каонов, о них ниже) даже комбинированная четность не сохраняется. Нейтральные каоны существуют в двух формах: одна из них четная и поэтому может распадаться только на два пи-мезона (К 0 S → 2π), а вторая, нечетная и в 500 раз более долгоживущая, распадается на три пи-мезона ( К 0 L → 3π) — именно такие типы распадов им строго предписывает сохранение СР-инвариантности.

Однако в эксперименте оказалось (в 45 случаях из 23 тыс. сфотографированных событий в искровой камере), что иногда каон К 0 L распадается на два пиона, а не на три — из-за редкости этого процесса его называют сверхслабым. Эти наблюдения были встречены с таким недоверием, что еще около полугода все эксперты их тщательно анализировали до того как отправить в печать.

Итак, вне подозрений осталась только полная СРТ-симметрия. Но тогда нарушение СР означает, что нарушается, для компенсации СРТ-сохранения, и Т-симметрия, т. е. из существования прямого процесса вовсе не следует, что должен существовать и обратный процесс. А это соображение ведет уже к грандиозным выводам. Так, мы дальше будем говорить, что вся наша Вселенная возникла 15–20 млрд лет тому назад в результате Большого взрыва, но в момент этого взрыва должно было возникнуть равное количество материи и антиматерии, почему же сейчас мы наблюдаем только материю и не видим антиматерию?

Если все процессы Т-инвариантны, то сейчас должно наблюдаться такое же соотношение материи и антиматерии, которое было в самом начале существования Вселенной. Но нарушение СР- или Т-инвариантности позволяет античастицам распадаться быстрее, чем частицам, и, следовательно, быстрее исчезать, оставляя избыток частиц в виде вещества Вселенной. (Аннигилировавшие частицы и античастицы пополняют запас электромагнитного излучения и нейтрино во Вселенной.)

Принципиально важно отметить, что здесь физика самых малых по времени жизни и по размерам образований смыкается с физикой самых грандиозных процессов в мире.

Кронин и Фитч были за свой эксперимент удостоены Нобелевской премии 1980 г., однако до сих пор остается все же непонятным, чем вызван этот факт несохранения — полной теории, как объяснения причин такого распада, так и оценок итогов этих процессов в эволюции Вселенной, все еще нет.

Итак, существуют только левополяризованные нейтрино и правополяризованные антинейтрино. Но это означает, что к ним не подходит уравнение Дирака, описывающее остальные фермионы: оно дает для частицы и античастицы четыре решения, а здесь их только два. И тут вспомнили, что еще в 1929 г. знаменитый математик Герман Вейль предлагал двухкомпонентное уравнение для электрона, отброшенное как раз потому, что оно не сохраняло четность [40] В весьма авторитетном обзоре В. Паули «Общие принципы квантовой механики», изданном в 1933 г. в составе немецкого «Handbuch der Physik», Bd 24/1 (русское издание 1947), специально подчеркиваются недостатки уравнения Вейля. В новом издании «Handbuch der Physik», Bd. 5/1, вышедшем в 1958 г. (русский перевод этого обзора 1975) есть единственное изменение — опущена критика уравнения Вейля. . Но согласно этому уравнению масса нейтрино должна строго равняться нулю, и хотя большинство теоретиков в этом уверены, поиски и определение его массы все еще продолжается. На сегодня (2010 г.) можно сказать, что масса нейтрино, вылетающих при бета-распаде ядер, не превышает в энергетических единицах 3 эВ, т. е. менее одной стотысячной от массы электрона (0,51 МэВ).

Но оказалось, что существует много разных нейтрино. И дело было так.

Со дня своего открытия в 1937 г. мюоны представляли особый предмет, вызывающий головную боль у теоретиков. Вначале думали, что они имеют отношение к ядерным силам, потом оказалось, что они очень слабо взаимодействуют с ядрами и столь схожи с электронами, только в 207 раз тяжелее, так что их хотелось принять за «возбужденные» электроны. Но если это возбужденные электроны, то они должны, испустив гамма-квант, превращаться в электроны или позитроны, т. е. обязательно должен наблюдаться такой распад: μ - → е - + γ . Этот распад искали все и… никто никогда его не наблюдал!

Нет, мюон распадался, и при этом энергия вылетающих электрона или позитрона менялась в очень широких пределах, а это означало, что он распадается, по крайней мере, на три частицы, две из которых — типа нейтрино: μ - → е - + ν + ͞ν . Но если бы они были действительно нейтрино и антинейтрино, они могли бы превратиться в гамма-квант, а раз этого не происходит — значит, они частицы разного типа!

Приходилось признать, что есть какие-то электронные нейтрино и мюонные нейтрино, а реакции распада мюонов должны записываться как

μ - → е - + ν μ + ͞ν e

μ + → е - + ν μ + ͞ν e

Р. Фейнман как-то рассказывал, что когда его что-то особенно интересует, то он пишет условия задачи на одной из досок в кабинете, чтобы они были всегда перед глазами, и потом вносит добавочные сведения. Так вот, на одной из досок он нарисовал в верхнем левом углу значки:« μ ?», — а за следующие 20 лет ничего к ним не добавил…

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 детектор, в котором несколько нейтрино могли, наконец, провзаимодействовать с атомами алюминия. Анализируя эти взаимодействия, физики и обнаружили мюонные нейтрино и смогли определить некоторые их параметры (Нобелевская премия 1988 г.).