У пошуках нейтрино-заряду

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Розпад нейтрона в минулих статях записаний був дещо «догматично». «Невловиму» частинку, що виникає в продуктах розпаду, ми назвали антинейтрино. Чому ж антинейтрино, а не нейтрино? Ця назва вибрана абсолютно довільно і тільки з міркувань зручності. Такі умовності у фізиці бувають нерідко. Скажімо, нічого не змінилося б, якби ми в один прекрасний день вирішили вважати електричний заряд електрона позитивним. Звичайно, автоматично заряд у антиелектрона став би негативним.

Отже, ми називаємо антинейтрино ту частку, яка випускається в бета-розпаді спільно з електроном (коли нейтрон перетворюється на протон). Але фізики давно знають і інший процес, іменований «бета-плюс-розпадом», коли протон всередині атомного ядра мимовільно перетворюється на нейтрон, позитрон і «невловиму» нейтральну частинку. І ось тут цю частинку ми повинні назвати нейтрино.

Однак поки зовсім не ясно, чи відображають ці дві назви реальну суть речей або є чисто формальною справою. Нам треба з’ясувати, чи відрізняються за якимись характеристикам нейтрино від антинейтрино. Або вони тотожні? Іншими словами, потрібно експериментально виявити нейтрино-заряд. Треба з’ясувати дослідом: чи є нейтрино часткою істинно нейтральною, тобто нейтральною по відношенню до всіх видів заряду?

Ви вже знаєте відповідь на таке питання: так, нейтрино відрізняється від антинейтрино, і обидві ці частки володіють протилежними нейтрино-зарядами. Як же це було доведено? Принцип експерименту, запропонованого майже 15 років тому, читач, який уважно стежив за попередніми рядками, може придумати сам. Я буду допомагати йому у вирішенні цього завдання.

Ми бачили, що антинейтрино з протоном може дати позитрон і нейтрон. Аналогічно цьому зіткнення нейтрино з нейтроном може дати електрон і протон (бо остання реакція викликана тією же самою взаємодією, що і попередня). Але інша справа, якщо ми розглянемо реакції: нейтрино + протон – нейтрон + позитрон і антинейтрино + нейтрон – протон + електрон.

Обидві ці реакції отримані з двох попередніх шляхом заміни нейтрино на антинейтрино і навпаки. Якщо відмінність між нейтрино і антинейтрино чисто формальна, якщо воно існує лише в запису, то, звичайно, будуть мати місце обидві реакції. Якщо ж відмінність між нейтрино і антинейтрино пов’язано з відмінностями внутрішніх властивостей цих частинок, то обидві ці реакції неможливі.

Отже, для перевірки питання про відмінність нейтрино і антинейтрино можна використовувати одну з останніх реакцій. Оскільки немає інтенсивних джерел нейтрино, а маються інтенсивні джерела антинейтрино – уранові реактори, то зручно досліджувати реакцію: антинейтрино + нейтрон – а електрон + протон. Правда, речовини, що складається з одних тільки нейтронів, не існує. Але це не принципове питання. Можна вивчити реакцію на нейтронах, що знаходяться всередині атомного ядра. Особливо зручним виявилося ядро хлору з атомною вагою 37.

Цей вкрай важкий дослід був закінчений недавно американським фізиком Девісом. Було знайдено, що процес антинейтрино + хлор – 37 – аргон – 37 + електрон не здійснюється. І тому, без сумніву, нейтрино і антинейтрино – різні частинки, що мають протилежні знаки якогось неелектричного нейтрино-заряду.

Яка природа цього заряду? Відповісти остаточно на це питання в даний час не можна. Проблема пов’язана з природою слабких взаємодій, про які ми поки знаємо дуже мало. Однак про одну характерну різницю між нейтрино і антинейтрино дещо можна сказати. Попереджаю, що різниця, про яку піде мова нижче, може бути не єдиною відмінністю нейтрино від антинейтрино.

ЧАСТИНКА-ШТОПОР

З часу висунення гіпотези про нейтрино не було сумніву в тому, що нейтрино, якщо вони існують, повинні мати «спін», тобто бути обертовими об’єктами (у квантово-механічному понятті). При цьому очікувалося, що у складі пучка нейтрино одна половина частинок має праве обертання, а інша – ліве (по відношенню до напрямку руху). Це очікування було продиктовано фізичним законом, який до 1957 року вважався незаперечним, – «законом збереження парності».

Відповідно до закону збереження парності у всіх фізичних явищах має місце сувора право-ліва («дзеркальна») симетрія, – так що в природі нібито не можуть відбуватися явища, в яких праве переважає над лівим і навпаки. У нашому випадку цей закон заборонив би випускання, як кажуть фізики, «поздовжньо поляризованих» нейтрино, тобто нейтрино, що мають переважно, скажімо, ліве обертання по відношенню до напрямку руху.

Крім того, до 1957 року думали, що має місце й інша симетрія – «зарядова», завдяки якій будь-яке фізичне явище залишається «інваріантним» (тобто описується тим же математичним законом), коли кожна частка замінюється своєю античасткою. Ця симетрія заборонила б нейтрино мати тільки ліве обертання, а антинейтрино – тільки праве.

У 1957 році китайські фізики Лі і Янг встановили, що при слабких взаємодіях ці два закони симетрії не мають місця. В експериментах виявилися явища, в яких ці закони явно порушуються, але обов’язково обидва відразу. А російський фізик Ландау показав, що в природі існує більш глибока симетрія, яку він назвав «комбінованою». Новий закон стверджує, що будь-яке явище залишається інваріантним, якщо одночасно праве замінити на ліве і кожну частку замінити її античасткою.

З точки зору нового закону нейтринний пучок може бути повністю поляризований. Крім того, якщо нейтрино обертаються справа наліво, то антинейтрино повинні обертатися зліва направо по відношенню до напрямку свого руху. Така можливість природно з’являється в теорії «поздовжнього» нейтрино Ландау, Салама, Лі і Янга. Разом з тим в цій теорії виходить, що нейтрино зобов’язані мати масу, суворо рівну нулю, а значить відповідно до теорії відносності швидкість їх завжди дорівнює швидкості світла.

Всі ці передбачення теорії нині підтверджуються в дослідах. Причому доведено, що нейтрино обертається справа наліво. Відомо, що ступінь поляризації нейтрино і антинейтрино дуже висока. Правда, ще не відомо, чи повністю поляризовані невловимі частинки, як цього вимагає теорія поздовжнього нейтрино, і чи точно дорівнює нулю їх маса. Якщо це виявиться вірним, ми зможемо укласти, що єдина різниця між нейтрино і антинейтрино – різне спрямування їх «спіральності». До такої «спіральності» і зведеться сутність нейтрино-заряду. Причому нейтрино нагадуватиме штопор з борозенками наліво.

Якщо ж нейтрино неповністю поляризовані, і їх маса, хоча і вкрай мала, все-таки не дорівнює нулю, то проблема природи нейтринного заряду стає менш ясною.

Автор: Б. Понтекорво.