Физика нейтрино (стр. 6 из 13)
Существовала уверенность, что такое отражение тоже ничего не изменит.
То есть физическое явление или результаты эксперимента останутся прежними. Конкретная величина при таком преобразовании может, и изменит знак. Любой вектор - скорость, импульс, сила, напряженность электрического поля и т.п. - меняет знак при отражении на противоположный. Существуют и псевдовекторы - момент импульса (в частности, спин), магнитная индукция и т.п. Псевдовекторы знака не меняют, поскольку их направление связано с направлением вращения (массы, электрического заряда) по или против часовой стрелки. А при отражении в зеркале направление вращения не изменяется. Векторы и псевдовекторы входят в
- 23 -
формулы, описывающие какие-либо процессы, таким образом, что при "переходе в зеркальный мир" результаты этих процессов не меняются.
Пока речь шла об электромагнитном и сильном взаимодействиях, все это строго выполнялось. Никакие опыты не помогли бы отличить "наш" мир от "зеркального", правое направление от левого.
В квантовой механике ( а именно для нее важно такое "скачкообразное" преобразование пространства, как отражение) появляется новый закон сохранения. Он носит название закона сохранения пространственной четности и является следствием зеркальной симметрии пространства (Е. Вигнер, 1927 г.).
Все было ясно вплоть до 1956 г. когда необычное поведение К - мезонов заставило усомниться в том, что для слабого взаимодействия закон сохранения пространственной четности выполняется столь же строго, как для электромагнитного и ядерного. Эти "сомнения" были опубликованы двумя американскими физиками, китайцами по национальности, Ли Тзун-дао и Янг Чжень-инем, "устное" же сомнение впервые было высказано Р. Фейманом на Рочестерской конференции 1956 г. В своей статье они предложили возможные схемы опытов, для проверки этой гипотезы, и сразу же такая проверка начала осуществляться несколькими группами экспериментаторов.
Первой добилась группа, работающая под руководством Ву Цзянь-сюн из Колумбийского университета (США).
Идея опыта состояла в следующем. Если ядра атомов вещества, спо- собного к
-распаду, выстроены таким образом, что их спины направлены в одну сторону, то вылетающие из них электроны должны с одинаковой вероятностью лететь как по, так и против спина ядер. Так гласит закон сохранения четности. Если же вероятности вылета в противоположных направлениях окажутся различными, закон будет нарушен. Ведь если в нашем мире существует такое явление, как преимущественный вылет частиц по одному из направлений ( скажем, против спина), то при пространственном отражении процесса спин ядра не измениться, а вектор скорости переменит знак и в зеркальном мире, преимущественный вылет электронов будет происходить по спину ядра.Появиться возможность отличить наш мир от зеркального, а это про- тиворечит закону сохранения четности.
Опыты потребовавшие применения самой современной экспериментальной техники, полностью подтвердили гипотезу Ли и Янга.
- 24 -
Сохранение четности нарушалось в процессах, которыми управляло слабое взаимодействие.
Почти сразу же выяснилось, что это открытие самым непосредственным образом коснулось нейтрино. Оказалось, что при рассмотрении решения уравнения Дирака для частицы с нулевой массой при условии нарушения пространственной четности, то такая частица должна быть полностью по- ляризована - ее спин всегда и строго направлен по (или против) импульса. Соответствующая ей анитчастица отличается противоположным знаком поляризации.
Если раньше уравнение Дирака для нейтрино включало четыре различ- ных состояния, четыре компоненты (частица и античастица, и у каждой два возможных направления спина - по и против импульса), то теперь число состояний уменьшилось до двух. в соответствии с этим новая теория получила название двухкомпонентной. В ее создании приняли участие физики - теоретики из разных стран Л. Ландау (СССР), А. Салам (Пакистан), Т. Ли и Ч. Янг (США). Поставленные опыты подтвердили, что спин антинейтрино направлен по импульсу частицы, а нейтрино - против.
Поведение полностью поляризованной частицы напоминает движение винта или буравчика, если уподобить спин вращению рукоятки, а направление импульса - направлению закручивания винта. Так же, как у частицы, поступательное и вращательное движение винта жестко связаны. При этом аналогом антинейтрино является винт с правой резьбой, закручивающийся по часовой стрелке, а нейтрино - винт с левой резьбой.
При отражении в зеркале, нейтрино изменит знак импульса на обратный, а направление спина не измениться. В результате из левого винта мы получим правый, из частицы античастицу. Раньше это запрещал закон сохранения пространственной четности, теперь ограничение было снято.
Образовывалась явная не симметрия между "нашим" и "зеркальным" мирами.
Л.Д. Ландау предположил, что слабое взаимодействие обладает более сложным типом симметрии, чем просто зеркальное отображение. Нашему миру симметричен не просто зеркальный мир, а зеркальный антимир, в ко- тором все частицы заменены на античастицы, нейтрино - на антинейтрино. Только такие миры неразличимы.
В теории двухкомпонентного нейтрино отрицательный результат опытов Дэвиса вытекал из поляризации. Действительно, чтобы вызвать процесс на хлоре-37, требовалось нейтрино "левый винт", а реактор излучает
- 25 -
антинейтрино - "правый винт". И реакцию обратного
- распада этим час- тицам так же невозможно вызывать, как завинтить такой винт в отверстие с левой резьбой.Следует отметить еще, что степень поляризации легких частиц e- (e+) и
( 
) оказались тесно связанной с наличием у них массы. Действительно, если полная поляризация нейтрино есть фундаментальное внутреннее свойство частицы, отличающее 
от , то такая частица обязана (!) иметь нулевую массу и двигаться со скоростью V> V 
( но в тоже время V < c ), и в этой системе нейтрино полетит в обратную сторону, а направление спина частицы не изменится. Это будет означать, что внутреннее свойство частицы зависит от системы отсчета, чего быть не должно. Поэтому скорость нейтрино V должна быть точно равна скорости света с и масса его m равна нулю.Насколько точно можно считать нейтрино полностью поляризованной частицей, насколько строго подтверждаются двухкомпонентная теория?
Результаты прямых опытов (М. Гольдгабер и др., 1958 г.) давали возможность отклонения поляризации от полной вплоть до 20%. На осно- вании более поздних экспериментов можно было считать, что этот диапазон не более 10% Что касается опытов Дэвиса, то, как мы видели, они допускали 10% отклонения. Это в том случае, если отличие нейтрино от антинейтрино объяснялось бы только поляризацией частиц.
Вместе с тем красота двухкомпонентной теории оказывала сильнейшее влияние на общественно физическое мнение. И действительно, с 1957 до 1980 г. не было ни одного опытного факта, который противоречил бы полной поляризации нейтрино.
В институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) в 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
е приблизительно в 20 000 раз меньше, чем масса электрона, и на процессы - распада, где выделяется энергия ~ 106 эВ, практически влияния не оказывает.Если результаты эксперимента ИТЭФ правильны, то весьма вероятно, что и
, о которых речь пойдет ниже, также имеют массы и,- 26 -
возможно, существенно большие. Современные оценки m
< 0,65МэВ, m < 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
+ 
+ e+ в фотоэмульсии.