Москве группа ученых В.А. Любимов, В.З. Нозик, Е.Ф. Третьяков и В.С.
Козик в 1980 г. завершила чрезвычайно трудный пятилетний цикл исследований
и пришла к выводу, что масса электронного антинейтрино не равна 0, а
лежит в пределах от 14 до 46 эВ.
Обнаруженная масса [pic]е приблизительно в 20 000 раз меньше, чем
масса электрона, и на процессы [pic]- распада, где выделяется энергия ~
106 эВ, практически влияния не оказывает.
Если результаты эксперимента ИТЭФ правильны, то весьма вероятно,
что и [pic][pic], о которых речь пойдет
ниже, также имеют массы и,
- 26 -
возможно, существенно большие. Современные оценки m[pic] < 0,65МэВ,
m[pic]< 250 МэВ.
Теория двухкомпонентного нейтрино, в котором масса нейтрино должна
быть тождественно равной 0, нарушиться, и поляризация будет неполной, хотя
отклонение будет весьма мало. Кроме того, из этого вытекает множество
других следствий, например связь между массой нейтрино и плотностью
вещества во вселенной.
- 27 -
4. ТИПЫ НЕЙТРИНО.
Число реакций, идущих с участием нейтрино, значительно расширилось
после того, как началось изучение распадов космических частиц и частиц,
рождающихся в опытах на ускорителях высоких энергий.
Рис. 3. Следы процесса [pic]+ [pic] [pic]+ [pic] e+ в фотоэмульсии.
Обратимся для примера к рис.3, где приведена микрофотография рас-
пада [pic]+ [pic] [pic]+ [pic] e+, зарегистрированного в специальной
эмульсии.
В точке 1, [pic]+-мезон останавливается и распадается. Отрезок
между точками 1 и 2 - это след родившегося мюона. Длина его следа на
фотографиях всегда одинакова, из чего можно сделать вывод, что энергия
мюонов, образующихся при распадах [pic]- мезонов, постоянна. Закон
сохранения импульса требует, чтобы в сторону, противоположную движению,
[pic] вылетало "что-то", что компенсирует его импульс а постоянство
энергии мюонов и отсутствие следов в эмульсии говорят, что это всего
одна нейтральная частица.
Поскольку спин [pic]+- мезона равен нулю, мюона - [pic]/2, то
согласно закону сохранения момента импульса спин вылетающей частицы должен
быть полуцелым. Дальнейшие исследования показали, что распад [pic]+ -
мезонов выглядит так: [pic][pic] [pic] [pic] + [pic]([pic]).
- 28 -
Теперь обратимся к точке 2. Здесь мюон останавливается и
распадается. При этом вылетает позитрон, который может иметь разную
энергию - от фотографии к фотографии длина его следа меняется. Из этого
следует вывод о присутствии в распаде нескольких нейтральных частиц.
Окончательно- [pic] [pic] е[pic] + [pic] + [pic].
Можно привести примеры и других распадов, идущих с участием нейт-
рино: К[pic] [pic] [pic] + [pic]([pic]), K0 [pic] [pic]- + е+ + [pic]
и т. п.
Вместе с тем было обращено внимание на то, что часть процессов, ко-
торые, казалось бы, не нарушали никаких законов сохранения, не наблю-
дались. Так, для [pic] - мезона энергетически возможно несколько схем
распада:
[pic]+ [pic] е+ + [pic] +
[pic] , (7)
[pic]+ [pic] е+
+[pic], (8)
[pic]+ [pic] е+ + е+ + е-
(9)
Осуществлялась же только одна - первая. Теория не находила удав-
летворительного объяснения этому факту. Ведь процесс (8) можно предс-
тавить себе как некое продолжение процесса (7). При этом [pic] и [pic]
исчезают - аннигилирую в момент своего рождения, как частица и античастица,
а вылетающий позитрон излучает [pic]- квант. Расчетная вероятность W-
распада [pic]+ [pic] е+ + [pic] по отношению к распаду [pic]+[pic] е+ +
[pic] + [pic] составляет 10-3 - 10-4, но запретов на его существование
нет.
Тем не менее, поиски процесса (8) не привели к положительным ре-
зультатам. Со временем ограничение на вероятность все уменьшались:
меньше 10-4, меньше 10-5, 10-7, 10-10 (1979 г.). Природа препятствовала
мюонну распадаться на электрон и [pic]- квант, запрещала аннигилировать
[pic] и [pic]. Попытки объяснить запрет реакций (8) и (9) привели к
идее о существовании двух типов нейтрино. Одно сопутствует электрону -
электронное нейтрино [pic]е, другое - мюону, мюонное нейтрино [pic][pic]. В
распаде нейтрона и [pic]-мезона возникают разные нейтрино
n [pic] p + e- +[pic]е[pic],
- 29 -
[pic]- [pic] [pic]- + [pic][pic],
а реакцию распада[pic]-мезона следует писать в виде:
[pic]+ [pic] е+ +
[pic][pic] + [pic]е .
Гипотеза должна была быть проверена экспериментом.
Опыт по изучению различия (или единства) [pic][pic] и [pic]е был
первым нейтринным экспериментом поставленным на ускорителях высоких
энергий. Осуществить его предлагали несколько ученых - Б.М. Понтекорво,
М.А. Марков, М. Шварц. Выполнен этот эксперимент был впервые на Брукхей-
венском ускорителе (США) и через год в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных
исследований).
Идея опыта заключалась в следующем. Пучок протонов, разогнанных в
ускорителе, в определенный момент отклонялся мощным импульсом магнит- ного
поля. Он выходил из камеры ускорителя и попадал на мишень, в ко- торой при
взаимодействии протонов с веществом рождались быстрые [pic] - и К -
мезоны. Вылетев из мишени и распадаясь на лету в специальном про- летном
туннеле, мезоны излучали нейтрино и мюоны высоких энергий. Дальше пучок
попадал в слой стали общей толщиной около 13 м, где практически
поглощались все сильно взаимодействующие частицы ([pic]-, К-, [pic]-мезоны
и т.п.).
Мезоны, остановившиеся в защите, тоже излучали при распаде
нейтрино. Среди них и электронные, например при распаде мюонов. Но эти
нейтроны обладали существенно меньшей энергией, чем родившиеся на лету, и
не играли роли для проводившегося эксперимента. Если существуют два сорта
нейтрино, [pic][pic] и [pic]е , то ускоритель - практический чистый
источник [pic][pic].
Пучок нейтрино попадал в детектор, где во взаимодействиях с
веществом могли рождаться электроны и мюоны. Если электронные и мюоные
нейтрино неразличимы, то число зарегистрированных электронов и мюонов
должно было быть одинаковым. Но в опытах регистрировались практически одни
мюоны, и это служило прямым доказательством различия [pic][pic] и
[pic]е. Чуть позже эксперименты, поставленные на ускорителях, позволили
доказать
- 30 -
различие и нейтрино, сопровождающих [pic]+ и [pic]- -мезоны, то есть
различие мюонных антинейтрино и нейтрино.
В 1975 году в связи с открытием третьего заряженного лептона -
[pic]-лептона было введено еще одно нейтрино [pic]-нейтрино. Рождается
[pic]-нейтрино в распадах [pic]- лептона:
[pic]-[pic] [pic][pic] + [pic]- ,
[pic]-[pic] [pic][pic] + [pic][pic] + е- ,
а также в распадах мезонов, более тяжелых, чем [pic]-лептон.
Нейтрино во всех взаимодействиях с другими частицами в свою
очередь рождают заряженные лептоны только своего типа; с хорошей
точностью это проверено для мюонных нейтрино, наблюдаются процессы типа:
[pic][pic] + n [pic] [pic]- + p,
[pic][pic] + p [pic] [pic]+ + n
(Брукхейвен, 1962; ЦЕРН, 1964).
Все семейство нейтрино состоящее из электронного, мюонного, таонного
нейтрино и соответствующих антинейтрино относится к классу лептонов.
Класс лептонов (от греческого "мелкий, легкий") включает также электрон,
позитрон и мюоны обоих знаков. Заряженные лептоны участвуют в
электромагнитном и слабом взаимодействиях, нейтрино - только в слабом.
Для частиц, входящих в класс лептонов, введено правило, получившее
название закона сохранения лептонного заряда (основополагающие работы
принадлежат Я.Б. Зельдовичу, Е. Конопинскому и Х. Махмуду). Различие
между тремя типами нейтрино описывается тремя сохраняющимися (или
приближенно сохраняющимся) лептонными зарядами: электронным le, мюон- ным
l[pic] и таонным l[pic].
- 31 -
[pic]е [pic]e е- e+ [pic][pic]
[pic][pic] [pic]+ [pic]- [pic][pic] [pic][pic][pic][pic]
[pic]- [pic]+
le, 1 -1 1 -1 0 0 0
0 0 0 0 0
l[pic] 0 0 0 0 1 -1 1
-1 0 0 0 0
l[pic] 0 0 0 0 0 0
0 0 1 -1 1 -1
Для фотонов и адронов значения всех лептонных зарядов равны
0.Считается, что во всех процессах сохраняется неизменной сумма
лептонных зарядов. Например:
n [pic] p + e- +[pic]е[pic], (le, = 0 - 0 + 1 - 1).
Процессы распада мюона на позитрон и [pic]- квант (8) или на
электрон и два позитрона (9)
запрещены новым законом. В этом смысле он подобен закону сохранения
электрического заряда. Однако между двумя зарядами, электрическим и
лептонным есть существенное отличие: первый определяет степень участия
частицы в электромагнитных процессах, второй с взаимодействием лептонов
непосредственно не связан.
Внутри одной группы частиц разные лептонные заряды соответствуют
дираковскому подходу - частица и анитичастича отличаются знаком лептонного
заряда, и в реакциях их нельзя заменять одну другой. Введение лептонных
зарядов запрещает например, замену [pic]е на [pic][pic], т.е. переходы
между двумя группами лептонов. Однако существуют теоретические
обоснования для гипотезы о том, что закон сохранения лептонного заряда
является приближенным и, в частности, возможны взаимные переходы
различных типов нейтрино друг в друга - нейтринных осцилляций.
Впервые об осцилляциях говорилось в работах Б.М. Понтекорво в 1957
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
