Landsberg-1985-T3

8уются электроны е- и позитроны е+. Частицу, испускаемую вместе

с электроном условились называть электронным антинейтрино "е'

Тогда частицу, испускаемую вместе с позитроном, следует называть

эле"тронным нейтрино V e. С учетом этого реакции ~-распада (230.2)

и (230.3) записываются следующим образом;

Прибавляя к уравиению .(233.2) слева и справа по "е И аинигилируя в

Являются ли нейтрино Ve И антинейтрино "е одинаковыми или разными частицами? Ответ на этот вопрос должен дать эксперимент. Мы уже знакомы с частицами с нулевым электрическим зарядом, ко­ торые отличны от своих античастиц - это нейтроны и антинейтроны, различающиеся знаком барионных зарядов. Но существуют незаря­

женные частицы и другого типа, тождественные своим античасти­

цам - например фотоны или пО-мезоны, получившие поэтому назва­ ние истинно нейтральных частиц. Опыты, проведенные на пучках антинейтрино ядерного реактора **), показали, что реакция пог.l0-

щення "е протонами (233.3) действительно наблюдается (см. § 231).

Но поглощение Ve нейтронами обнаружить не удалось. Именно этого

частицами. Дальнейшие исследования показали, что нейтрино, обра­

зующиеся при распаде п-мезонов вместе с мюонами, отличаются от

нейтрино, образующихся в ~-распадах (233.1) и (233.2) вместе с элек­

тронами.

Реакцию распада л:+-мезона на мюон и нейтрино теперь следует

писать в виде Л:+-f.l++V/t ***). ПрибаВJIЯЯ справа и слева по f.I- и

по нейтрону, аннигилируя f.I + и f.I- и объединяя п+л:+_р, приходим

креакции

*) Это рассуждение иосит очень общий характер. С его по"ющью

легко показать, что любые частицы можно перенQCИТЬ из правой час­ ти любой реакции в левую часть (или наоборот), заменяя их при

этом на античастицы.

**) В Я,l,ерных реакторах происходит ~--распад осколков деления урана; «перегруженн.ых» нейтроиами (т. е. ~--распад иейтронов). По-

этому реакторы - интенсивиые источники антинейтрино "е.

*oto*) Частица V/t получила название МЮонного неЙтрнно. Мюон-

ное антинейтрино У!! образуется при распаде п- ~ f.I. - +V!! •

594

Эта энергия крайне мала, и существенных проявлений гравитации в яв­

лениях микро,.!ира до настоящего времени не найдено.

Итак, энергии фундаментальных взаимодействий относятся пример­

но следующим образом: сильное: электромагнитное: слабое: гравитаци­

онное= 1 : 10-2 : 10- Н : 10-33.

Важную роль в физике элементарных частиц играют

представления о времени, характерном для того или иного

явления. УстаНОВИ:\1 прежде всего временной масштаб для процессов, обусловленных сильными взаимодействиями. Для оценки этого масштаба рассмотрим ядерные столкно­ вения быстрых частиц (имеющих скорость, сравнимую со

скоростью света с). Так как радиус действия ядерных сил

Г"-' 10'-12-10-13 см, то время такого сильного взаимодей­

ловлены сильными взаимодействиями, то соответствующие времена жизни будут составлять именно такую очень ма­ лую величину (короткоживущие частицы). Если «сильные

распады» по каким-либо причинам происходить не могут

и частица распадается под действием электромагнитных

сил, то ее время жизни будет лежать в пределах 10-16_ 10-20 С. ДЛЯ «СJlабых распадов» соответствующие времена имеют масштаб 10-8-10-13 с. Поэтому частицы, распадаю­

щиеся только благодаря слабым взаимодействиям в мире

элементарных частиц рассматриваются как долгожители.

Из четырех известных взаимодействий - гравитацион­

ного, слабого, электромагнитного и сильного - универ­

596

де й с т в и е );1. Заряженные лептоны (ЭJlектрон, мюон)

подвержены, раЗУ);lееТС5J, и электромагнитному взаИ);lOдей­

ствию *).

Третий, са);!ый обширный класс образуют Так называе­

мые адРОItЬ! **) - сшJыю юаи);юдеИСТВУЮЩне частицы.

Адронам свойственны все четыре известных взаII\юдеЙствия. Первую подгруппу адронов образуют ,неЗОltы - СИЛЬНО

взаимодействующие частицы, не обладающие 6apllOHltbl.tl

зар я Д о м. Как отмечалось, их UJедует рассмаТРl!вать как

кванты ядерного поля (поля сильного взаимодействия).

Вторую подгруппу соста13ЛЯЮТ 6ариОltЫ - частицы, об­

ладающие 6аРИОНItЫ-1! заРЯi\Оl\! (см. § 233).

Самые легкпе баРИОНLI - IJУI{ЛОНЫ (нейтрон !I протон) - устойчивы (нейтрон устоi\чив в ядрах) и вместе с электро­

ном служат кирпичпкам!! вещества. В конечном счете это обусловлено законо\! сохранения барионного заряда, ко­ торый позволяет бариону исчезнуть только Б паре с анти­ барионо);!. Сохранение бариnrшого заряда делает невоз:v!Ож­

НЫ);!. например, разрушеIIие ато);IOВ ПУТб! аннигиляции

протона с Э,lектроноч (nревращеНIIЯ в у-кванты или \Iезо­

вы). Так как в наШб! );!!!ре аНТllбаРIIОНОВ практически нет,

нуклоны исчезать не J\ЮП:Т. В ЭТО:VI отношеНIIИ они сильно

отличаются от фотонов и мезонов, которые в конечно);! счете

I!счезают (поглощаются или распадаются), передавая свою

энергию (а заряженные мезоны - и электрический заряд)

.1}ептонам или нуклонам. IЗ последние годы были открыты сотни более тяжелых 11 менее УСТОЙЧI!ВЫХ мезонов и барио­ нов. Были найдены закономерности в их характеристи­

ках-массах. способах образования и распада и т. п. ***). Однако послеДОI3атсльной теории, которая описывала бы

свойства адровов так же успешно, как квантовап теория

описывает атомы и молекулы, еще нет. Нет также I! ответа на более фундаментальный вопрос - почему существуют и);!енно т а к и е ЭЛС\1ентарные частицы (электрон. протон,

фотон, нейтрино и т. д.) С Т а к и м и своЙства:\1И.

§ 235. Детекторы элементарных частиц. В Г,1. Х Х 111 );Ib!

познако);IИЛИСЬ с приборами, служащими для обнаружения :vшкрочастиц,- кю!ерой Вильсона, счетчико);! СЦИНТlj,1ЛЯ­

ций, газораЗРЯДНЫ:V1 счетчиком. Эти детекторы, хотя и при-

*) Согласно новейшим теориям электромагнитное и слабое взаи­ модеrkтвня представляют собой различные проявления более общего так

называемого э.~ектрослабого взаимодействия.

**) Адроны - греч. hadr6s - большой, сильный.

***) Более подробно о свойствах адронов см. § 239,

597

меняются в исследованиях элементарных частиц, однако

не всегда удобны. Дело в том, что наиболее интересные про­

цессы взаимодействия, сопровождающиеся взаимнымИ пре­

вращениями элементарных частиц, происходят весьма редко.

Частица должна встретить на своем пути очень много

нуклонов ;IЛИ электронов, чтобы произошло интересное

столкновение. Практически она должна пройти в плотном веществе путь, измеряемый десятками сантиметров - мет­ рами (на таком пути заряженная частица с энергией в мил­

лиарды электронвольт теряет вследствие ионизации только

часть своей энергии).

Однако в камере Вильсона или газоразрядном счетчике чувствительный слой (В пересчете на плотное вещество)

крайне тонок. В связи с этим получили применение некото­

рые другие методы регистрации частиц.

Очень плодотворным оказался фотографический метод.

Вспециальных мелкозернистых фотоэмульсиях каждая

заряженная частица, пересекающая эмульсию, оставляет

<:лед, который после проявления пластинки обнаруживает­ ся под микроскопом в виде цепочки черных зерен. По х а р а к т е р у с л е Д а, оставленного частицей в фото­

эмульсии, м о ж н о у с т а н о в и т ь природу этой час­

тицы - ее зар я д, м а с с у, а также э н е р г и ю. Фо­ тографический метод удобен не только из-за того, что мож­

но использовать толстые слои вещества, но и потому, что

вфотопластинке, в отличие от камеры Вильсона, следы

заряженных частиц не исчезают вскоре после пролета час­

тицы. При изучении редко случающихся событий пластин­ ки могут экспонироваться длительное время; это особенно полезно в исследованиях космических лучей. Примеры ред­ ких событий, запечатленных в фотоэмульсии, приведены

выше на рис. 414, 415; особенно интересен рис. 418. Другой замечательный метод основан на использовании

свойств nерегреmых жидкостей (см. том 1, § 299). При нагре­ ве очень чистой жидкости до температуры, даже чуть боль­

шей температуры кипения, жидкость не вскипает, так как поверхностное натяжение препятствует образованию пу­

зырьков пара. Американский физик Дональд Глезер

(р. 1926) заметил в 1952 г., что перегретая жидкость мгно­

венно вскипает при достаточно интенсивном j'-облучении: добавочная энергия, выделяемая в следах быстрых элект­

ронов, создаваемых в жидкости j'-излучением, обеспечивает

условия для образования пузырьков.

На основе этого явления Глезер разработал так называе­ мую жидкостную пузырьковую камеру. Жидкость при по-

598

Рис. 419. Образование и распад А-гиперонов. В водородной пузырько­ вой камере. нахо,:щВшейся в магнптно,,", поле и облученной антипрото­

нами, зафиксирована реакция iJ+p---..Л+А. Она произош,'!з в точке

окончания следа р (см. схему в верхней части рисунка). Нейтральные

лям6да- и аНТИЛЯ'16да-гнпероны, ПРО:lетсв без образования следа не­

большой путь, распадаются по схемам А-+р+n-, .\-+Р+n+. Анти­ протон р аннигилирует с протоном, образуя два л+ и два л;--мезона

вышенном дазлепии нагревается до температуры, близкой, но меньшей температуры кипения. Затем давление, а с ним

и температура кипения понижаются и жидкость оказывает­

ся перегретой. Вдоль траектории заряженной частицы, пе­ ресекающей в этот момент жидкость, формируется след пузырьков пара. При подходящем освещении он может

быть запеЧ1т.лен фотоаппаратом. Как правило, пузырько­

вые камеры располагают между полюсами сильного элек­

тромагнита, магнитное поле искривляет траектории частиц.

Измеряя длину следа частицы, радиус его кривизны, плот­

ность пузырьков, можно установить характеристики час­

тицы. Сейчас пузырьковые камеры достигли высокого

совершенства; работают, например, камеры, заполненные

жидким водородом, с чувствительным объемом в несколько

§ 236. Парадокс часов. В заключение остановимся на лю­

бопытном предсказании теории относительности Эйнштей­

на, которое получило прямое подтверждение в опытах с

элементарными частицами.

Рассмотрим нестабильную частицу, которая в с о с т 0-

я н и и п о к о я характеризуется средним временем жиз­

ни до распада То. Если эта частица движется равномерно

со скоростью V, то оказывается, что среднее время жизни,

наблюдаемое в лаборатории (т. е. покоящимся наблюдате-

покоя. Среднее время жизни частицы возрастает nроnор­

ционально ее полной энергии. В опытах с быстрыми МЮQна­

ми, л-мезонами и К-мезонами наблюдалось возрастание

среднего времени жизни этих частиц в десятки раз в точном

соответствии с законом (236.1). Это явление можно харак­

теризовать как замедление времени в движущихся телах.

В самом деле, процессы, идущие внутри нестабильной час­

тицы, можно рассматривать как некоторые часы, отсчиты-

*) Самая большая водородная камера имеет объем 30 м3•

602 /

вающие время. Неподвижные часы ОТсчитали несколько

средних времен жизни, и частица должна была бы давно

ла только ;,!алая доля среднего времени жизни 'о, И части­

ца еще «жива».

Теория относительности распространяет этот вывод на любые физические процессы; биологические процессы не

составляют IIск.rlючения.

Представим ракету, стартующую с Земли, путешест­

вующую в космосе со скоростью, близкой к скорости све­ та, и возвращающуюся на Зеl'v1ЛЮ. Часы, находившиеся на

ракете, покажут меньшую продолжительность путешест­

вия, чем часы, остававшиеС5J на Земле. Космонавт поста­

реет меньше, чем его -товзрищи, не покидавшие Земли. В справедливость этих выводов трудно поверить, и их

обозначали как «парадокс часов». Упомянутые опыты с не­ стабильными частицами ззстзвляют, однако, относится к

«парадоксу часов» как к научному факту. Надо заметить,

что при скоростях полетз порядка десятков КИЛО;'lетров в

секунду, доступных в современной космонзвтике, замедле­

ние хода часов НIIЧТОЖНО и и:v! можно полностью пренебречь.

§ 237. Космическое излучение (космические лучи). Уже

при первых исследованиях радиоактивности было замече­ но, что в ионизационной камере (рис. 376) наблюдается пе­ который незначительный ток даже в отсутствие радиоак­ тивных препаратов. Наличие этого тока доказывало, что

какое-то излучение постоянно создает в камере ионизаЦI!Ю,

получившую название о с т а т о ч н о й и о н и з а Ц и и. Вначале пытались объяснить остаточную ионизацию при­ месями радиоактивных веществ в почве и атмосфере. В этом

случае остаточная иониззция должна была бы уменьшать­

ся при удалении ИОНИЗ3ЦИОНJlОЙ камеры от поверхности

Зе:.1.1И. Однако опыты, в которых ионизационные камеры поднимались на аэростатах на большую высоту, показали обратный резу.'Iыат. На высоте 9 юл остаточная ионизация

оказалась в 40 раз большей, чб! на уровне Зe:v!ли. Этот ре­

зультат стзновится ПОН5JТIJЬ!\!, если допустить, что излуче­

ние, создающее остаточную ионизацию, ПРИХОДИТ на Зе1l!­

лю извне и на свое:.1 пути через атмосферу постепенно по"

глощается в ней. Дальнейшие опыты п о Д т в е р Д и л и

в н е з е м н о е происхождение излучения и показали так­

же, что его интенсивность слабо зависит от положения на

небе Солнца, Луны и других светил. Отсюда следовало, что

603