Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Раз пионы являются частицами обмена при сильном взаимодействии, у слабого взаимодействия также должны быть свои частицы обмена. Такая «слабая частица обмена» (обозначается w) должна быть еще более неуловимой, чем пион и фотон, но менее неуловимой, чем гравитон. Она должна быть бозоном, масса которого больше протона, но меньше пиона. Поэтому такую частицу и называют иногда средним бозоном. По некоторым данным, эту частицу удалось обнаружить, но информация еще не проверена.

Протон, антипротон, положительный пион и отрицательный ион могут вступать в следующие четыре вида взаимодействий: сильные, слабые, электромагнитные и гравитационные. Не обладающие электрическим зарядом нейтрон, антинейтрон и нейтральный пион не вступают лишь в электромагнитные взаимодействия, а электрон, позитрон, положительный мюон и отрицательный ион не вступают в сильные взаимодействия.

Больше всего в этом отношении «не повезло» нейтрино и антинейтрино. Они не вступают в сильные взаимодействия; они не обладают электрическим зарядом, поэтому не вступают в электромагнитные взаимодействия; не обладая массой, они не вступают в гравитационные взаимодействия. Нейтрино и антинейтрино вступают лишь в слабые взаимодействия. Поэтому появление в ходе распада частицы нейтрино или антинейтрино является верным признаком слабого взаимодействия. Слабым взаимодействием является, например, распад нейтрона.

Период полураспада свободного положительного или отрицательного пиона равен одной двадцати пяти миллиардной секунды, то есть образовавшиеся свободные пионы тут же распадаются на мюоны и нейтрино. Обозначив пионы как π, а мюоны как μ (греческая «мю»), запишем формулу распада положительного и отрицательного пионов:

Вначале физики предположили, что масса образующегося в ходе распада пиона нейтрино должна быть гораздо больше массы обычного нейтрино и, возможно, в 100 раз больше массы электрона. Какое-то время они называли такой нейтрино мю-мезонным, однако в ходе последующих исследований выяснилось, что продукт распада пиона является безмассовым нейтрино.

Что касается мюона, он является не только «тяжелым электроном», но полноправным членом семейства электронов. Поэтому отрицательному мюону можно присвоить электронное число +1, как у электрона, а положительному мюону электронное число –1, как у позитрона.

Тогда общее электронное число образующихся по формуле 14.5 положительного мюона (–1) и нейтрино (+1) равно 0, что совпадает с электронным числом исходного пиона (пион не является членом семейства электронов, поэтому его электронное число равно 0). Точно так же образование по формуле 14.6 отрицательного мюона (+1) требует образования и антинейтрино (–1), так как общее электронное число равно 0.

Трудность вызывает процесс распада мюона. Мюон распадается на электрон и два нейтрино. Если электронное число сохраняется, то один из нейтрино должен быть антинейтрино. Распад отрицательного мюона можно записать так:

Электронное число отрицательного мюона равно +1. Общее электронное число продуктов распада равно +1 (электрон –1, нейтрино +1 и антинейтрино –1). Электронное число сохраняется.

Но почему же тогда нейтрино и антинейтрино в некоторых случаях аннигилируют друг друга, превращаясь в энергию, а в других случаях происходит соединение частицы и античастицы? Если это так, то, возможно, в некоторых случаях мюон распадается только на электрон, а оставшаяся масса переходит в фотоны?

Впрочем, такого не наблюдается, и физики пришли к выводу, что образующиеся в процессе распада мюона нейтрино и антинейтрино не являются противоположными друг другу частицами. Возможно ли, что нейтрино образуется в связи с мюоном, а антинейтрино в связи с электроном и что мюоны и электроны образуют различные типы нейтрино?

В 1962 году это удалось проверить следующим способом. Пучок электронов очень высокой энергии направили на атомы бериллия, и в результате столкновения образовался поток интенсивных пионов. Пионы моментально распадались на мюоны и нейтрино, а затем все эти частицы ударялись о лист брони 13,5 м толщиной. Лист останавливал все частицы, за исключением нейтрино. Те свободно проходили сквозь броню внутрь детектора, где они вступали во взаимодействие с нейтроном, образуя протон и электрон или же отрицательный мюон.

Если существует лишь один тип нейтрино, то в процессе его распада отрицательные мюоны и электроны должны образовываться в равных количествах:

Как видите, и в том и в другом случае барионное число сохраняется. Сохраняется и электронное число, так как и электронное число исходного нейтрино, и электронные числа образующихся электрона и отрицательного мюона равны +1. Во время субатомных взаимодействий все, что может произойти, происходит, поэтому физики и были уверены, что если существует лишь один тип нейтрино, то мюоны и электроны будут образовываться в равных количествах.

Как бы не так! Образовывались лишь отрицательные мюоны.

Это означало, что нейтрино, образующиеся в результате распада пионов на мюоны и нейтрино, являются мюон-нейтрино, особой разновидностью нейтрино, которое может образовывать только мюоны, но никак не электроны. Аналогично обычные нейтрино, образующиеся в связи с электронами и позитронами, являются электрон-нейтрино, и они могут образовывать только электроны или позитроны, но никак не мюоны.

Обозначив мюон-нейтрино как ν μа электрон-нейтрино как ν e, перепишем формулы 14.1–14.6 следующим образом:

В формулах 14.10 –14.13 электронное число сохраняется. В формулах 14.14 и 14.15 вступает в силу закон сохранения мюнного числа. Мюонное число отрицательного мюона и мюон-нейтрино равны +1, а положительного мюона и мюон-антинейтрино равны –1. Как видите, в формулах 14.14 и 14.15 мюонное число и до, и после распада пиона равно 0.

Формула 14.7 описывает взаимодействие с участием и электронов, и мюонов. Мы можем переписать ее как:

В результате такого взаимодействия мюонное число сохраняется: мюонное число исходного отрицательного мюона и образующегося мюон-нейтрино равно +1. Кроме того, сохраняется и электронное число: среди исходных элементов членов семейства электронов нет, поэтому электронное число равно 0, а среди образующихся продуктов есть электрон (электронное число +1) и электрон-антинейтрино (электронное число –1), и их общее электронное число равно 0.