Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Тогда общее электронное число образующихся по формуле 14.5 положительного мюона (–1) и нейтрино (+1) равно 0, что совпадает с электронным числом исходного пиона (пион не является членом семейства электронов, поэтому его электронное число равно 0). Точно так же образование по формуле 14.6 отрицательного мюона (+1) требует образования и антинейтрино (–1), так как общее электронное число равно 0.

Трудность вызывает процесс распада мюона. Мюон распадается на электрон и два нейтрино. Если электронное число сохраняется, то один из нейтрино должен быть антинейтрино. Распад отрицательного мюона можно записать так:

μ^– → e^– + ν⁰ + ν^–. (Уравнение 14.7)

Электронное число отрицательного мюона равно +1. Общее электронное число продуктов распада равно +1 (электрон –1, нейтрино +1 и антинейтрино –1). Электронное число сохраняется.

Но почему же тогда нейтрино и антинейтрино в некоторых случаях аннигилируют друг друга, превращаясь в энергию, а в других случаях происходит соединение частицы и античастицы? Если это так, то, возможно, в некоторых случаях мюон распадается только на электрон, а оставшаяся масса переходит в фотоны?

Впрочем, такого не наблюдается, и физики пришли к выводу, что образующиеся в процессе распада мюона нейтрино и антинейтрино не являются противоположными друг другу частицами. Возможно ли, что нейтрино образуется в связи с мюоном, а антинейтрино в связи с электроном и что мюоны и электроны образуют различные типы нейтрино?

В 1962 году это удалось проверить следующим способом. Пучок электронов очень высокой энергии направили на атомы бериллия, и в результате столкновения образовался поток интенсивных пионов. Пионы моментально распадались на мюоны и нейтрино, а затем все эти частицы ударялись о лист брони 13,5 м толщиной. Лист останавливал все частицы, за исключением нейтрино. Те свободно проходили сквозь броню внутрь детектора, где они вступали во взаимодействие с нейтроном, образуя протон и электрон или же отрицательный мюон.

Если существует лишь один тип нейтрино, то в процессе его распада отрицательные мюоны и электроны должны образовываться в равных количествах:

ν⁰ + n⁰ → p⁺ + e^–

, (Уравнение 14.8)

ν⁰ + n⁰ → p⁺ + μ^–. (Уравнение 14.9)

Как видите, и в том и в другом случае барионное число сохраняется. Сохраняется и электронное число, так как и электронное число исходного нейтрино, и электронные числа образующихся электрона и отрицательного мюона равны +1. Во время субатомных взаимодействий все, что может произойти, происходит, поэтому физики и были уверены, что если существует лишь один тип нейтрино, то мюоны и электроны будут образовываться в равных количествах.

Как бы не так! Образовывались лишь отрицательные мюоны.

Это означало, что нейтрино, образующиеся в результате распада пионов на мюоны и нейтрино, являются мюон-нейтрино, особой разновидностью нейтрино, которое может образовывать только мюоны, но никак не электроны. Аналогично обычные нейтрино, образующиеся в связи с электронами и позитронами, являются электрон-нейтрино, и они могут образовывать только электроны или позитроны, но никак не мюоны.

Обозначив мюон-нейтрино как ν_μ а электрон-нейтрино как ν_e, перепишем формулы 14.1–14.6 следующим образом:

n⁰ → p⁺ + e^– + ν^–_e

, (Уравнение 14.10)

p⁺ → n⁰ + e⁺ + ν⁰_e, (Уравнение 14.11)

e^– + e⁺ → ν^–_e + ν^–_e, (Уравнение 14.12)

ν^–_e+ p⁺ → e⁺

+ n⁰, (Уравнение 14.13)

π⁺ → μ⁺ + ν⁰_μ, (Уравнение 14.14)

π^– → μ^– + ν^–_μ. (Уравнение 14.15)

В формулах 14.10^–14.13 электронное число сохраняется. В формулах 14.14 и 14.15 вступает в силу закон сохранения мюнного числа. Мюонное число отрицательного мюона и мюон-нейтрино равны +1, а положительного мюона и мюон-антинейтрино равны –1. Как видите, в формулах 14.14 и 14.15 мюонное число и до, и после распада пиона равно 0.

Формула 14.7 описывает взаимодействие с участием и электронов, и мюонов. Мы можем переписать ее как:

μ^– → e^– + ν⁰

_μ + ν^–_e. (Уравнение 14.16)

В результате такого взаимодействия мюонное число сохраняется: мюонное число исходного отрицательного мюона и образующегося мюон-нейтрино равно +1. Кроме того, сохраняется и электронное число: среди исходных элементов членов семейства электронов нет, поэтому электронное число равно 0, а среди образующихся продуктов есть электрон (электронное число +1) и электрон-антинейтрино (электронное число –1), и их общее электронное число равно 0.

Точно так же распад положительного мюона будет выглядеть следующим образом:

μ⁺ → e⁺ + ν^–_μ + ν⁰_e. (Уравнение 14.17)

В результате распада положительного мюона образуются позитрон, электрон-нейтрино и мюон-антинейтрино.

В ходе распада отрицательного или положительного мюона не происходит взаимной аннигиляции нейтрино и антинейтрино, так как они не являются античастицами. Взаимная аннигиляция приведет к нарушению законов сохранения электронного и мюонного чисел.

И электрон-нейтрино, и мюон-нейтрино являются безмассовыми незаряженными частицами со спином ½. До сих пор остается загадкой, чем же они отличаются друг от друга.