Не простые опыты в физике

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Давно прошло время, когда великие открытия делались почти в домашней обстановке, как говорят, с помощью сургуча и веревочек. Сейчас между замыслом эксперимента и его осуществлением встают годы труда и, что немаловажно, десятки и сотни тысяч долларов, требующиеся для закупки сложнейшего оборудования. Типичный эксперимент по физике элементарных частиц — это несколько лет работы двадцати — тридцати физиков; это многотонная установка — одна среди десятков подобных в необъятном экспериментальном зале какого-нибудь гигантского ускорителя.

Историко-терминологический экскурс

До середины пятидесятых годов прошлого ХХ века считалось, что законы физики симметричны относительно отражения в зеркале. Это значит, что любой физический эксперимент, проведенный в земной лаборатории (а также на Марсе или на Тау Кита, все равно), даст те же результаты, какие бы он дал, очутись в воображаемом зазеркальном мире.

Можно сказать иначе — если бы в один прекрасный момент Вселенная вывернулась наизнанку, так, что координаты и импульсы всех частиц изменились на противоположные, не существовало бы способа — думали физики начала пятидесятых годов — это узнать: любой физический эксперимент дал бы тот же результат, что и до такого преображения мира.

Физики начала пятидесятых годов ошибались. Законы сильного и электромагнитного взаимодействий, которые определяют в основном структуру вещества, действительно зеркально симметричны. А вот законы слабого взаимодействия таким свойством не обладают.

Как явствует из названия, слабое взаимодействие значительно менее интенсивно, чем электромагнитное, и тем более сильное. Оно играет относительно скромную роль в нашей «повседневной» земной жизни и проявляется главным образом в радиоактивных распадах некоторых ядер. Если вещество поместить в необычные (лучше сказать, непривычные для нас) условия, роль слабого взаимодействия меняется. Достаточно сказать, что, не будь в природе слабого взаимодействия, не горели бы звезды и Солнце и некому было бы писать и читать научно-популярные статьи.

Типичный пример слабого процесса — это распад нейтрона. Нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Медленно летящий протон в принципе можно зарегистрировать, но чрезвычайно трудно. Антинейтрино взаимодействует с веществом очень слабо и регистрации практически не поддается. Легкий же и быстрый электрон зафиксировать и изучить просто.

Так вот, оказывается, при распаде нейтрона рождаются в основном левополяризованные электроны. Это значит, что с точки зрения наблюдателя, который остался на месте распавшегося нейтрона и смотрит вслед электрону, тот «вращается» вокруг своей оси против часовой стрелки. (Кавычки говорят о том, что представлять электрон в виде классического твердого вращающегося шарика следует с большой осторожностью. Никакого вращения вовсе нет — иначе пришлось бы допустить, что поверхность электрона — что бы здесь ни значило слово «поверхность» — движется примерно в тысячу раз быстрее скорости света. Законы квантовой механики, однако, дают возможность электрону иметь собственный момент количества движения — спин, то есть вести себя в реакциях так, как будто он вращается.)

При зеркальном отражении левый винт переходит в правый, а лево-поляризованный электрон — в право-поляризованный. Это значит, что в зазеркальном мире распад нейтрона будет выглядеть иначе, чем в нашем. И законы слабого взаимодействия, определяющие картину распада, тоже оказываются несимметричными относительно зеркального отражения. Остается добавить, что нарушение зеркальной симметрии называют еще несохранением четности. Впрочем, если электрон, как мы видели, не может вращаться, хотя и имеет спин, то и четность в квантовой механике не имеет отношения к тому, делится какое-либо число на два или нет.

О нейтральных точках и о модели Вайнберга — Салама

Несохранение четности, то есть нарушение зеркальной симметрии, так долго скрывалось от физиков просто потому, что слабое взаимодействие было изучено очень плохо. Стоило повнимательнее вглядеться в слабые процессы, как стало ясно, что зеркальная симметрия нарушена. Причем нарушена сильно, стопроцентно, так что от самого понятия зеркальной симметрии не остается никакого следа.

Как уже говорилось, в сильном и электромагнитном взаимодействиях, в миллиарды раз более интенсивных, чем слабое, четность сохраняется. В тех событиях микромира, где участвуют все три эти вида взаимодействия, разглядеть нарушение четности труднее, чем в грохоте канонады уловить писк комара. Поэтому надо было прежде всего оставить «комара» без «пушек»-конкуренток, наблюдать процессы, идущие только за счет слабого, без всякой примеси сильного и электромагнитного взаимодействия. Распад нейтрона принадлежит как раз к числу таких «чистых» процессов.

Барков же и Золотарев в своем эксперименте искали нарушение четности, как раз напротив, на «грохочущем фоне» мощных соперников слабого взаимодействия.

Возникает естественный вопрос: а зачем? Зачем сознательно усложнять себе жизнь, изучая процессы, где эффекты слабого взаимодействия проявляются в седьмом знаке после запятой и могут быть выловлены лишь в результате кропотливых многолетних исследований? Не проще ли продолжать изучение чистых слабых процессов, где фона нет?

Естественный ответ — тривиальное утверждение, что любой новый, не сделанный ранее эксперимент ценен для науки. Даже если из его результатов не следует сногсшибательных выводов. Ценность эксперимента Баркова и Золотарева, однако, не только в новизне. Чтобы понять причины, побудившие их взяться за свой нелегкий труд, надо поговорить немного о теории.

Вернемся снова к распаду нейтрона, который превращается в протон, испуская электрон и антинейтрино.

Нейтрон и протон — близкие по своим свойствам частицы. У них почти одинаковая масса, они одинаково охотно участвуют в сильных взаимодействиях. В сущности, единственное, чем протон и нейтрон различаются между собой,— это их электромагнитные свойства: у протона есть электрический заряд, а у нейтрона его нет. Можно сказать, что протон и нейтрон — это разные зарядовые состояния одной и той же частицы (такая частица имеет специальное название — нуклон). По аналогии (почти полной) электрон и нейтрино также можно представить себе как разные зарядовые состояния одной и той же частицы. При распаде нейтрона нуклон «только» меняет свое зарядовое состояние, тем самым происходит перераспределение зарядов между частицами различного сорта. Говорят, что за распад нейтрона ответственны заряженные токи.

Сочетание слов «заряженный ток» может показаться бессмысленным. Особенно если сказать, что обычный электрический ток, который течет по проводам, вовсе не заряженный, а нейтральный, поскольку тут электроны мирно текут, ни во что не превращаясь и не меняя своего заряда. В физике элементарных частиц процессом с заряженными токами называют такой, в котором частицы меняют свои зарядовые состояния.

Говоря более четко, в процессе, обусловленном заряженными токами, закон сохранения электрического заряда выполняется только в целом, для всех участвующих частиц вместе, и не выполняется для частиц одного определенного сорта. Все такие процессы идут только «слабо», без сильного или электромагнитного фона.

Вот такие и только такие процессы рассматривались в так называемой феноменологической теории слабого взаимодействия, предложенной впервые Энрико Ферми в 1934 году и принявшей свой окончательный вид в конце пятидесятых годов.

Она вполне оправдывала свое название, хорошо описывая те явления («феномены»), которые наблюдались в эксперименте.

Но не более того. Предсказать что-нибудь новое, заглянуть в еще не исследованную на ускорителях область она не помогала. Даже хуже: при экстраполяции к энергиям в несколько сотен Гэв феноменологическая теория приводила к заведомо абсурдным ситуациям и потому явно нуждалась в исправлениях. Было даже примерно ясно, какого рода исправления нужно произвести.

Но работающую последовательную теорию удалось сформулировать только в 1967 году — С. Вайнбергу и независимо от него А. Саламу.

Основная черта их модели слабых взаимодействий — это существование гипотетических частиц, тяжелых промежуточных бозонов, играющих для слабых взаимодействий примерно ту же роль, что и фотон для электромагнитных взаимодействий.

По старой теории распад нейтрона, как мы уже видели, происходит «единым махом». По теории Вайнберга — Салама он идет в два приема: на первом этапе нейтрон превращается в протон, испуская при этом виртуальный (существующий ничтожно малое — даже для квантовой механики — время) промежуточный отрицательно заряженный (вот он, заряженный ток!) бозон, на втором этапе этот бозон, в свою очередь, распадается на электрон и антинейтрино.

Однако в теории Вайнберга — Салама, кроме заряженных бозонов W+ и W-, с необходимостью математической логики появляется также нейтральный бозон Z0, который немножко тяжелее заряженного и весит примерно 85 Гэв (масса заряженных бозонов 75 Гэв). Из этого следует, что возможны слабые процессы не только с заряженными, но и с нейтральными токами. Но ни Z0 бозона, ни нейтральных токов в эксперименте на первых порах никто не видел. А избавиться от них в теории никак не удавалось, и это долго считалось главным ее недостатком. Пока, наконец, нейтральные токи не были открыты в процессах рассеяния нейтрино в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных исследований в Женеве).

Модель Вайнберга — Салама давала детальные предсказания для различных процессов с нейтральными токами. Как только накопились хорошие экспериментальные данные по таким процессам, их сравнили с теоретическими предсказаниями и, ко всеобщему удовольствию, убедились в блестящем согласии. Так через десять лет состоялась первая проверка опытом теории Вайнберга — Салама.

Хотя реакция рассеяния нейтрино и относится к числу типичных процессов с нейтральными токами, у нее есть все же одно преимущество, облегчающее задачу экспериментаторов. Этот процесс — чисто слабый, поскольку идет с участием нейтрино, которые испытывают только слабые взаимодействия.

Куда сложнее обстоит дело с другими процессами, где проявляются нейтральные токи. Они идут с участием электронов, которые подвержены не только слабым, но и электромагнитным силам. И изучать поведение электронов в слабых взаимодействиях при условии мощного электромагнитного фона чрезвычайно непросто. А жаль, ведь только так можно было провести вторую независимую проверку теории Вайнберга — Салама, доказав ее справедливость и в отношении электронов.

В этом и состояла цель эксперимента Баркова и Золотарева.

Как ставился опыт

С открытием нейтральных токов сфера проявления в нашем мире слабого взаимодействия чрезвычайно расширилась. Теперь мы знаем: всякий раз, когда мы зажигаем лампочку, включаем телевизор или просто садимся на стул, к электромагнитному взаимодействию примешивается также и слабое. Вопрос заключается в том, как обнаружить его присутствие.

Читатель, наверное, уже догадался, что единственной бесспорной уликой могло бы стать несохранение четности. Ведь именно это свойство резко отличает слабое взаимодействие от электромагнитного. Но как обнаружить такой эффект? Простые расчеты показывают, что при энергиях в несколько электрон-вольт, характерных для электронов в атоме, слабое взаимодействие по интенсивности на шестнадцать порядков меньше электромагнитного. Измерить такую малую величину гораздо сложнее, чем, скажем, расстояние от Земли до Луны с точностью до микрона.

И, тем не менее несохранение четности, связанное с электронным слабым нейтральным током, впёрвые удалось увидеть, и это сделали Барков и Золотарев именно в атомной физике. Идея в общих чертах такова.

Известно, что уровни энергии в атоме квантуются. То есть энергия атома может принимать значения только из некоторого строго определенного набора. Состояние атома с наинизшей энергией называется основным. Все остальные состояния называются возбужденными. Возбужденные атомы вещества могут испускать световые кванты, переходя при этом на более низкие энергетические уровни. Набор частот излучаемого света, характерный для данного вещества, называется его спектром, а сами частоты — спектральными линиями. Не все линии в спектре одинаковы. Одни переходы с уровня на уровень случаются чрезвычайно часто — их называют разрешенными, и то же имя носят соответствующие линии спектра. Другие переходы чрезвычайно редки, и за то именуются запрещенными или даже сильно запрещенными (запрещение тут, как видите, не абсолютное).

И вот для сильно запрещенных линий эффект несохранения четности должен проявляться заметнее, чем для разрешенных, поскольку здесь гораздо слабее электромагнитный фон, тут-то есть полный смысл попытаться их обнаружить.

Несохранение четности приводит к тому, что излучаемый атомами свет приобретает циркулярную поляризацию. Это буквально то же самое, что и упомянутая ранее поляризация электрона. Только «закрученными» теперь оказываются фотоны. Нетрудно понять, что если свет имеет, скажем, левую «закрутку», то есть лево-циркулярно-поляризован, то при зеркальном отражении он перейдет в право-циркулярно-поляризованный. Это и будет означать несохранение четности.

Но как обнаружить, что свет циркулярно поляризован? Оказалось, что лучше всего это делать косвенным методом — по оптической активности вещества.

Что такое оптическая активность?

Если в стакане с водой размешать несколько ложек сахарного песка и осветить стакан линейно-поляризованным светом, в котором смешаны фотоны обоих по-разному закрученных сортов, то этот раствор повернет плоскость поляризации света, плоскость, в которой происходят колебания вектора электрического поля. Молекулы сахара зеркально несимметричны (все они «перчатки только с правой руки») и право-циркулярно-поляризованный свет рассеивают иначе, чем левый. То же явление можно наблюдать и в чистой воде — достаточно стакан с нею поместить в магнитное поле. Молекулы воды обычно зеркально симметричны, но магнитное поле эту симметричность сбивает, в результате поляризация проходящего через воду света поворачивается. Этот эффект был открыт Фарадеем в пору, когда свет рассматривали еще как колебания частиц эфира.

Способность вещества вызывать такой поворот и называется оптической активностью. Стандартная теория, не учитывающая слабых нейтральных токов, предсказывает, что без внешних магнитных полей подавляющее большинство веществ оптической активностью обладать не будет. Но несохранение четности, вызванное слабыми взаимодействиями, приводит к тому, что и в этих условиях оптическая активность полностью не исчезает. Как уже говорилось, искать этот эффект лучше всего для сильно запрещенных линий. По расчетам теоретиков, тут наиболее подходят пары некоторых тяжелых металлов, таких, как висмут и таллий.

Эксперимент Баркова и Золотарева состоял в измерении оптической активности паров висмута на некоторых сильно запрещенных линиях.

Грубая схема эксперимента была такова. Луч лазера, настроенного на частоту одной из запрещенных линий висмута, идет сначала через поляризатор. Затем тот же луч проходит около метра вдоль кюветы с парами висмута, нагретыми до 1200°С, и на выходе попадает в другой поляризатор, повернутый относительно первого на 90°.

Первый поляризатор придал фотонам такое направление колебаний, что ни один из них не должен пробиться через поляризатор номер 2 — если только в парах висмута по дороге не произойдет нового поворота плоскости поляризации хотя бы части фотонов. Такой поворот, однако, происходит, и свет все-таки выходит из прибора и фиксируется фотоумножителями.

Что увидели Стэнфорде и не смогли увидеть в Оксфорде и Сиэтле

В середине семидесятых годов теоретики начали разбирать самую возможность такого эксперимента с парами висмута. Возможность провести количественное сравнение теории с экспериментом сделало опыт с висмутом таким важным и интересным.

Дальнейшая история может удовлетворить любого знатока приключенческой литературы. Искать в эксперименте вращение плоскости поляризации в висмуте начали одновременно две группы английская из Оксфордского университета и американская из университета в городе Сиэтле.

Группы приступили к работе, совершенствуя свои установки и постепенно повышая точность. В научных журналах появились статьи: эффекта нет на уровне десяти «Вайнбергов» (то есть нет вдесятеро большего эффекта, чем предсказывает теория); эффекта нет на уровне пяти «Вайнбергов»…

Решающий прорыв попытались сделать группы, которые увеличили точность… и не увидели эффекта на уровне одной пятой «Вайнберга» (статьи английской и американской групп поступили в редакцию журнала «Physical Review Letters» в один и тот же День и были опубликованы в одном номере).

Новость эта была довольно грустной. Если поверить в нее, то с моделью Вайнберга следовало проститься. И в самом деле, в то время (1977 год) некоторые так и подумали. Появились работы, предлагавшие различные модификации модели Вайнберга — Салама, в которых эффект отсутствовал или был значительно меньше, чем в стандартной модели. Все эти модификации были довольно уродливы и слишком явно носили характер подгонки решения к известному ответу.

Следующая важная сенсация приходится на лето 1978 года. Она пришла из американского города Стэнфорда. Там был сделан совсем другой эксперимент. В Стэнфорде изучались рассеяния высокоэнергичных поляризованных электронов на ядрах тяжелого изотопа водорода — дейтерия. Оказалось при этом, что результаты эксперимента немного зависят от того, как — по часовой стрелке или против нее — вращаются поляризованные электроны. Такая зависимость означала несохранение четности.

Рассеяние электронов на протонах — это тот же нейтральный ток, что и в атомном эксперименте, только энергии здесь значительно выше.

Автор: А. Смолин.