ководством Р. Дэвиса. Они проводились сначала на Брукхейвенском реакторе
(1955 г.), затем на реакторе в Саванна-Ривер (1956-1959 гг.).
Схема опыта состояла в следующем. Бак, содержащий несколько кубо-
метров перхлорэтилена (C2Cl4), помещался под землей недалеко от рабо-
тающего реактора. В него предварительно вводился 1 см3 обычного аргона. Газ
этот в дальнейшем мог служить носителем, образующихся радиоактивных атомов
37Ar.
Один, иногда два месяца жидкость выдерживалась под нейтринным об-
лучением для накопления аргона-37, а затем начиналась процедура его
извлечения. В течение нескольких часов через объем бака пропускался
гелий. Он в виде мелких пузырьков проходил через жидкость и "вымывал" из
нее атомы аргона. Затем гелий поступал в ловушки, заполненные ак-
тивированным углем и охлажденные до температуры жидкого воздуха. Аргон
конденсировался и захватывался на поверхности угля, а гелий свободно
проходил через ловушку. После нескольких циклов такого процесса ловушка
отделялась от системы, соединялась с детектором и нагревалась. Уголь
выделял захваченный аргон, и последний поступал в счетчик.
- 22 -
Зарегистрированная в этих экспериментах активность была почти в 10
раз меньше, чем ожидалось в случае, если бы нейтрино и антинейтрино были
одинаковы. Она объяснялась фоновыми процессами, главным источником которых
были быстрые космические частицы, попадающие в мишень и образующие аргон-
37. Таким образом, процесс (5) не осуществляется, и, следовательно,
нейтрино и антинейтрино - разные частицы.
Опыты Дэвиса еще продолжались, когда в физике слабых взаимодейс-
твий произошло крупнейшее событие - было открыто несохранение четности.
В классической механике известны три закона сохранения: энергии,
импульса и момента импульса. Как было доказано Э. Нетер (1918 г.), эти
законы являются следствиями симметрии пространства и времени.
Уравнения движения тел не меняются, если перенести начало отсчета
времени. Результаты опыта останутся теми же, т.е. время обладает оп-
ределенной симметрией - оно однородно. Ни один его промежуток ничем не
выделен по отношению к другим. Из этого, по теореме Нетер, следует закон
сохранения энергии. Перенос начала координат в пространстве не меняет
физических результатов. Из однородности пространства вытекает закон
сохранения импульса.
Кроме того, пустое пространство изотропно. Это означает, что в нем
нет выделенных направлений, все направления равноправны. Поворот ко-
ординат на любой угол не повлияет на результат опыта. Из изотропности
пространства следует закон сохранения момента импульса. Можно провести еще
одно преобразование - сразу изменить направление всех координатных осей на
противоположное. Это эквивалентно тому, что мы отражаем происходящий
процесс в зеркале.
Существовала уверенность, что такое отражение тоже ничего не
изменит.
То есть физическое явление или результаты эксперимента останутся
прежними. Конкретная величина при таком преобразовании может, и изменит
знак. Любой вектор - скорость, импульс, сила, напряженность
электрического поля и т.п. - меняет знак при отражении на противоположный.
Существуют и псевдовекторы - момент импульса (в частности, спин),
магнитная индукция и т.п. Псевдовекторы знака не меняют, поскольку их
направление связано с направлением вращения (массы, электрического заряда)
по или против часовой стрелки. А при отражении в зеркале направление
вращения не изменяется. Векторы и псевдовекторы
входят в
- 23 -
формулы, описывающие какие-либо процессы, таким образом, что при "переходе
в зеркальный мир" результаты этих процессов не меняются.
Пока речь шла об электромагнитном и сильном взаимодействиях, все
это строго выполнялось. Никакие опыты не помогли бы отличить "наш" мир
от "зеркального", правое направление от левого.
В квантовой механике ( а именно для нее важно такое
"скачкообразное" преобразование пространства, как отражение) появляется
новый закон сохранения. Он носит название закона сохранения
пространственной четности и является следствием зеркальной симметрии
пространства (Е. Вигнер, 1927 г.).
Все было ясно вплоть до 1956 г. когда необычное поведение К -
мезонов заставило усомниться в том, что для слабого взаимодействия закон
сохранения пространственной четности выполняется столь же строго, как для
электромагнитного и ядерного. Эти "сомнения" были опубликованы двумя
американскими физиками, китайцами по национальности, Ли Тзун-дао и
Янг Чжень-инем, "устное" же сомнение впервые было высказано Р. Фейманом на
Рочестерской конференции 1956 г. В своей статье они предложили возможные
схемы опытов, для проверки этой гипотезы, и сразу же такая проверка начала
осуществляться несколькими группами экспериментаторов.
Первой добилась группа, работающая под руководством Ву Цзянь-сюн
из Колумбийского университета (США).
Идея опыта состояла в следующем. Если ядра атомов вещества, спо-
собного к [pic]-распаду, выстроены таким образом, что их спины направлены
в одну сторону, то вылетающие из них электроны должны с одинаковой
вероятностью лететь как по, так и против спина ядер. Так гласит закон
сохранения четности. Если же вероятности вылета в противоположных
направлениях окажутся различными, закон будет нарушен. Ведь если в
нашем мире существует такое явление, как преимущественный вылет частиц по
одному из направлений ( скажем, против спина), то при пространственном
отражении процесса спин ядра не измениться, а вектор скорости переменит
знак и в зеркальном мире, преимущественный вылет электронов будет
происходить по спину ядра.
Появиться возможность отличить наш мир от зеркального, а это про-
тиворечит закону сохранения четности.
Опыты потребовавшие применения самой современной экспериментальной
техники, полностью подтвердили гипотезу Ли и Янга.
- 24 -
Сохранение четности нарушалось в процессах, которыми управляло слабое
взаимодействие.
Почти сразу же выяснилось, что это открытие самым непосредственным
образом коснулось нейтрино. Оказалось, что при рассмотрении решения
уравнения Дирака для частицы с нулевой массой при условии нарушения
пространственной четности, то такая частица должна быть полностью по-
ляризована - ее спин всегда и строго направлен по (или против) импульса.
Соответствующая ей анитчастица отличается противоположным знаком
поляризации.
Если раньше уравнение Дирака для нейтрино включало четыре различ-
ных состояния, четыре компоненты (частица и античастица, и у каждой два
возможных направления спина - по и против импульса), то теперь число
состояний уменьшилось до двух. в соответствии с этим новая теория получила
название двухкомпонентной. В ее создании приняли участие физики -
теоретики из разных стран Л. Ландау (СССР), А. Салам (Пакистан), Т. Ли и
Ч. Янг (США). Поставленные опыты подтвердили, что спин антинейтрино
направлен по импульсу частицы, а нейтрино - против.
Поведение полностью поляризованной частицы напоминает движение
винта или буравчика, если уподобить спин вращению рукоятки, а направление
импульса - направлению закручивания винта. Так же, как у частицы,
поступательное и вращательное движение винта жестко связаны. При этом
аналогом антинейтрино является винт с правой резьбой, закручивающийся по
часовой стрелке, а нейтрино - винт с левой резьбой.
При отражении в зеркале, нейтрино изменит знак импульса на
обратный, а направление спина не измениться. В результате из левого винта
мы получим правый, из частицы античастицу. Раньше это запрещал закон
сохранения пространственной четности, теперь ограничение было снято.
Образовывалась явная не симметрия между "нашим" и "зеркальным"
мирами.
Л.Д. Ландау предположил, что слабое взаимодействие обладает более
сложным типом симметрии, чем просто зеркальное отображение. Нашему миру
симметричен не просто зеркальный мир, а зеркальный антимир, в ко- тором все
частицы заменены на античастицы, нейтрино - на антинейтрино. Только такие
миры неразличимы.
В теории двухкомпонентного нейтрино отрицательный результат опытов
Дэвиса вытекал из поляризации. Действительно, чтобы вызвать процесс на
хлоре-37, требовалось нейтрино "левый винт", а реактор
излучает
- 25 -
антинейтрино - "правый винт". И реакцию обратного [pic]- распада этим час-
тицам так же невозможно вызывать, как завинтить такой винт в отверстие с
левой резьбой.
Следует отметить еще, что степень поляризации легких частиц e- (e+)
и [pic]([pic]) оказались тесно связанной с наличием у них массы.
Действительно, если полная поляризация нейтрино есть фундаментальное
внутреннее свойство частицы, отличающее [pic]от [pic], то такая частица
обязана (!) иметь нулевую массу и двигаться со скоростью V> V[pic] ( но в
тоже время V < c ), и в этой системе нейтрино полетит в обратную сторону,
а направление спина частицы не изменится. Это будет означать, что
внутреннее свойство частицы зависит от системы отсчета, чего быть не
должно. Поэтому скорость нейтрино V[pic] должна быть точно равна скорости
света с и масса его m[pic] равна нулю.
Насколько точно можно считать нейтрино полностью поляризованной
частицей, насколько строго подтверждаются двухкомпонентная теория?
Результаты прямых опытов (М. Гольдгабер и др., 1958 г.) давали
возможность отклонения поляризации от полной вплоть до 20%. На осно- вании
более поздних экспериментов можно было считать, что этот диапазон не более
10% Что касается опытов Дэвиса, то, как мы видели, они допускали 10%
отклонения. Это в том случае, если отличие нейтрино от антинейтрино
объяснялось бы только поляризацией частиц.
Вместе с тем красота двухкомпонентной теории оказывала сильнейшее
влияние на общественно физическое мнение. И действительно, с 1957 до 1980
г. не было ни одного опытного факта, который противоречил бы полной
поляризации нейтрино.
В институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) в
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
