Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

То, что вероятность взаимодействия нейтрино с другой частицей крайне мала, конечно же не означает, что такое взаимодействие невозможно. Необходимая для поглощения нейтрино толщина твердого материала в 3500 световых лет — это лишь усредненное значение. Для некоторых нейтрино требуется гораздо больше вещества, а для некоторых — гораздо меньше. Существует некоторая, пусть чрезвычайно малая, но не равная нулю вероятность того, что нейтрино поглотит вещество толщиной всего лишь в километр, а то и в несколько сантиметров.

В 1953 году американские физики Клайд Коуэн и Фредерик Райнес провели серию экспериментов, целью которых было доказать возможность такого взаимодействия. В качестве мишени для протонов они использовали огромные резервуары с водой (в воде много атомов водорода, ядра которых состоят из одного протона), поместив их на пути потока антинейтрино, испускаемых от термоядерного реактора. (Антинейтрино образовывались в результате быстрого преобразования нейтронов в протоны внутри ядер продуктов деления.)

Если согласно формуле, обратной формуле 14.1, для образования нейтрона антинейтрино должен присоединиться к протону, протон должен одновременно присоединить и электрон. Именно необходимость присоединения двух частиц одновременно сводит вероятность такой реакции практически до нуля. Однако поглощение электрона эквивалентно испусканию позитрона, и поэтому вероятное взаимодействие нейтрино и протона приобретает следующий вид:

ν^– + p⁺ → e⁺ + n⁰

. (Уравнение 14.4)

В ходе такой реакции барионное число сохраняется, так как вместо протона (+1) появляется нейтрон (+1). Сохраняется и электронное число — антинейтрино (–1) заменяется позитроном (–1).

Коуэн и Райнес подсчитали, что в используемой ими водной мишени взаимодействия антинейтрино и протона должны происходить 3 раза в час. Неудобство заключалось в том, что одновременно происходило и огромное количество других явлений, связанных с космическими лучами, паразитными радиоактивными излучениями и т. п. Вначале эти нежелательные явления происходили в несколько раз чаще, чем искомые реакции антинейтрино. Со временем их количество удалось сократить до допустимого предела с помощью мощного экранирования, отсеивающего большую часть поступающих извне субатомных частиц, но конечно же не представляющего преграды для антинейтрино.

Оставалось лишь точно и с максимальной долей уверенности зафиксировать взаимодействие антинейтрино. В процессе этого взаимодействия образуются позитрон и нейтрон. Позитрон сразу же вступает в реакцию с электроном, сопровождающуюся испусканием в противоположных направлениях гамма-лучей известного запаса энергии.

Образующийся в результате взаимодействия нейтрон через несколько миллионных долей секунды поглощается атомами кадмия (кадмий в форме соединения хлорида кадмия добавляется в воду как раз в целях поглощения нейтронов), после чего атом кадмия, приведенный лишним нейтроном в возбужденное состояние, испускает гамма-луч (а иногда и три гамма-луча) известной частоты. Именно эта цепочка событий — испускание двух гамма-лучей определенной частоты, а затем испускание еще одного гамма-луча определенной частоты — и является признаком существования антинейтрино. Насколько известно, никакая другая частица не вызывает аналогичной цепочки событий.

В 1956 году по этой характерной схеме гамма-излучения удалось обнаружить существование нейтрона. Предположение, сделанное Паули еще 25 лет назад, наконец-то подтвердилось.

Мюон

Пока Паули изучал непрерывный спектр бета-излучения, возник еще один, не менее сложный вопрос.

Объем атомного ядра составляет примерно 10^–40 см. Сила электромагнитного отталкивания между находящимися столь близко друг к другу протонами колоссальна. Пока ученые считали, что в ядре также существуют и электроны, можно было предположить, что сила взаимного электромагнитного отталкивания электронов (которая также очень высока) компенсирует силу отталкивания протонов. Таким образом, электроны являлись «ядерным цементом». Внутреннее строение ядра объяснялось с точки зрения электромагнитных сил, как и взаимосвязь атомов и молекул.

Устойчивость ядра можно объяснить, лишь предположив, что между нуклонами существует действующая только на крайне небольшом расстоянии сила взаимного притяжения, гораздо сильнее силы отталкивания.

В начале 1930-х годов в результате развития квантомеханического анализа было сделано предположение, что сила, действующая на таком расстоянии, на каком действует электромагнитная сила, возникает за счет испускания и поглощения фотонов. Обменивающиеся фотонами заряженные частицы испытывают обменные силы.[142] Термин был предложен Гейзенбергом в 1932 году. По аналогии было сделано предположение, что сила гравитации действует за счет испускания и поглощения гравитонов (см. гл. 13).

И электромагнитные силы, и сила гравитации, разница между которыми заключается лишь в площади испускающей их поверхности, действуют на расстоянии космического масштаба.