okun-fizika-elementarnykh-chastits (810758), страница 13
Текст из файла (страница 13)
с и- и д-кварками, Немного позднее взаимодействие тока ее с токами ии и сИ наблюдалось в рассеянии продольно-поляризованных электронов дейтонами на Станфордском линейном ускорителе. Наконец, в 1982 г. было обнаружено взаимодействие тока ее с токами рр и тт.
Речь идет о наблюдении слабой зарядовой асимметрии в реакциях е'в — р'р и г"'е — т'т на коллайдере ПЕТРА. Все выявленные до сих пор нейтральные токи не изменяют аромата участвующих в них частиц, они диагональны, т. е. переводят частицу в саму себя: электрон в электрон, мюон в мюон и т. д. Токи с изменением аромата, типа ер или Ь, не обнаружены. Как мы увидим в дальнейшем, это находится в согласии с теорией, которая предсказывает существование 12 диагональных токов: ес, рр, тт, ~'.т» тити ии, К зз, сс, ЬЬ, //.
Спиральная структура нейтральных токов более сложная, чем структура заряженных токов. Как показывают опыты, суммарный нейтральный ток /"„состоит из слагаемых двух типов: левых фьу«»рь и правых фяу„фя. Левые токи «верхних» частиц, т„ч„, ч„и, с, /, входят с коэффициентом (+'/,— Я з(п» О,г), где Я вЂ” заряд частицы, а Оз, — так называемый угол Вайнберга (см. ниже). Левые токи «нижних» частиц, с, р, т, И, з, Ь, входят с коэффициентом ( — '/,— Я з(п'Оц,). Коэффициенты при правых токах одинаковы для верхних и нижних частиц и равны — Яз)п«йэ.
Как мы увидим в следующей главе, такая структура тока отвечает тому, что левые частицы образуют дублеты относительно группы слабого изоспина: (ч,ь, сь), (иь, Ыь) и т. д., в то время как правые частицы, ~,„, ея, ия, Пя и т. д., являются изотопнческими синглетами. (Во избежание возможного недоразумения следует сразу >ке подчеркнуть, что слабый нзоспип, о котором здесь говорится, не имеет 63 никакого отношения к обычному изоспину адронов, который рассматривался нами в гл. П1.) Что касается угла Оз, то для него экспериментальное значение зги» 0 — 0,22. (Для запоминания удобно «мнемоническое соотношение» з~п»й,„з!пО«ж 0,22.
Обратите внимание на то, что О„льй,.) Лагранжиан взаи- модействия нейтральных токов имеет вид Я'л 1'»1'» л ~Р '»' ) 2 Существование нейтральных токов было предсказано единой теорией электромагнитного и слабого взаимодействий, которую иногда для краткости называют электро- слабой теорией. Открытие нейтральных токов явилось триумфом этой теории. Описанная выше структура станет более понятной после того, как в следующей главе мы познакомимся с ее основами. Однако прежде мы остановимся на вопросе о нейтринных массах.
Вопрос этот в последние годы вызывает большой интерес. По своей сути он сходен с вопросом о <повернутых кварках», и поэтому его было бы логично обсуждать сразу же за параграфом «Слагаемые заряженного тока». Мы поместили его в конце этой главы потому, что в отличие от того, о чем было рассказано в предыдущих параграфах, экспериментальная ситуация здесь пока еще очень неопределенная. Нейтринные массы и осцилляции.
Двойной ))-распад Сравнивая между собой лептонные и кварковые токи, мы подчеркивали, что первые гораздо проще и что их простота связана с тем, что массы нейтрино равны нулю. Существует, однако, подозрение, что простота эта иллюзорна: что в действительности массы нейтрино отличны от нуля, что в вакууме имеют место переходы между различными типами нейтрино — так называемые нейтринные осцилляции и, более того, что нет столь уж резкой грани между нейтрино и антинейтрино. Прямые лабораторные эксперименты до последнего времени не давали никаких указаний на то, что массы нейтрино не равны нулю, но при этом вывокая точность была б» достигнута лишь для электронных нейтрино: и,,(35 эВ. Верхние же пределы для мюонного и, особенно, т-нейтрино гораздо хуже: и„Ю,6 МэВ, и„~250 МэВ ').
Существует, правда, космологическое ограничение на массы всех 'сортов нейтрино, согласно которому сумма и„+и„„+и,, наверняка не превышает 100 )эВ. Как заметили Герштейн и Зельдович, это ограничение вытекает нз )того, что, согласно теории большого взрыва, число реликтовых нейтрино должно быть примерно равно числу реликтовых фотонов. (Существование последних было открыто в 1965 г. Пензиасом и Вильсоном.) На каждый протон во Вселенной приходится примерно !О' — 10" фотонов. Если нейтрино было бы столько же и если бы масса каждого нейтрино составляла, скажем, 100 )эВ, то очевидно, что суммарная масса нейтринного газа во Вселенной на два-три порядка превосходила бы массу обычного вещества. Расчеты показывают, что такая,'высокая плотность должна была бы привести к более быстрой эволюции Вселенной и получающийся при этом возраст Вселенной оказался бы меньше, чем возраст некоторых горных пород на Земле.
Следует учесть, однако, что космологическое ограничение на массы чгм и ч, перестает работать, если эти частишя достаточно быстро распадаются на ч,+у. В 1980 г. были опубликованы результаты эксперимента, проведенного в )Институте теоретической и экспериментальной физики в Москве, согласно которым масса электронного нейтрино отлична от нуля: 14 эВ: и,, (46 эВ. Этот вывод был сделан на основе измерения спектра электронов в 6-распаде трития: 'Н- 'Нел— е +т,. Когда электрон вылетает с энергией, близкой к максимальной, то кинетическая энергия нейтрино близка к нулю. Это создает оптимальные условия для обнаружения возможной массы нейтрино.
Измеряя форму спектра электронов вблизи его верхней границы, экспериментаторы пришли к указанному выше результату. Распад трития с его рекордно малым энерговыделением особенно подходит для таких измерений. К сожалению, на основе только одного эксперимента нельзя считать вопрос решенным. Это особенно справедливо в отношении таких опытов, которые, как обсуждаемый, *) П р н меча н н е (осень 1987 г.). Современные пределы: пгч <0,25 МэВ, гп„<35 МэВ. 3 л. в.
Окунь 55 имеют точность, находящуюся на пределе возможностей современной экспериментальной техники. В настоящее время эксперименты, нацеленные на поиски массы нейтрино, проводят в ряде лабораторий. Можно надеяться, что вопрос о том, лежит ли масса электронного нейтрино в интервале 10 — 30 эВ, будет окончательно выяснен в ближайшие годы. Когда появилось сообщение о том, что масса нейтрино не равна нулю, то, пожалуй, наибольший энтузиазм это вызвало у астрофизиков.
Они говорят, что массивные нейтрино нужны им, как минимум, по двум причинам. Во-первых, для объяснении природы массивных невидимых корон галактик н скоплений галактик. О существовании невидимой массы в галактиках и вокруг них астрономы говорят уже около десяти лет. Облака массивных нейтрино пришлись тут очень кстати. Во-вторых, оказалось, что с помощью тех же нейтринных облаков можно решить некоторые трудности в теории образования галактик. В обоих случаях лучше всего подходят нейтрино с массой порядка 10 — 30 эВ. Разумеется, сделать на основе этих астрофизических соображений заключение о том, что масса нейтрино действительно лежит в указанном интервале, было бы более чем преждевременно.
С чисто теоретической точки зрения в настоящее время не видно никаких оснований для того, чтобы считать массы нейтрино равными нулю. В этом отношении взгляды, господствующие в теоретическом сообществе, радикально изменились за истекшее десятилетие. Раньше считалось более естественным ожидать, что масса нейтрино равна скорее нулю, чем какому-то малому числу, поскольку «в физике все коэффициенты порядка единицы, а с чего бы вдруг возник малый параметр?» Теперь же широко распространено убеждение, что для существования безмассовой частицы нужна строгая локальная симметрия, а поскольку в случае нейтрино такой симметрии нет, то и нулевой массы быть не должно. Другое дело, какова величина ожидаемой нейтринной массы, Тут единодушия среди теоретиков нет, но большинство, опираясь на модели великого объединения, считало бы более естественным, если бы%асса нейтрино была очень малой, скажем порядка 10 ' эВ, Это последнее число получается путем деления квадрата массы т-лептона ( 1 ГэВ') на массу великого объединения (- 10" ГэВ, о великом объединении см, ниже).
Если вместо т-лептона взять элект- 66 рон, то получится число на 7 порядков меньше. Так что особенно серьезно к этим гаданиям относиться не следует. В связи с вопросом о нейтринных массах в последние годы резко возрос интерес к поискам двух новых явлений: нейтринных осцилляций и двойного ))-распада. Впервые на возможность существования нейтринных осцилляций указал в середине 50-х годов Понтекорво, вскоре после того, как Пайс и Пиччиони предсказали осцилляционные эффекты в пучках нейтральных К-мезонов, В настоящее время число работ, посвященных теоретическому обсуждению нейтринных осцилляций, исчисляется сотнями. В ряде лабораторий на ядерных реакторах и ускорителях идут экспериментальные поиски этого явления. Кратко поясним, в чем заключается сущность осцилляций, на упрощенном примере двух нейтрино, т„и т„.
Предположим, что состояния т, и ти, входящие в слабые токи, не имеют определенных масс, а представляют собой ортонормированиые квантовомеханические суперпозиции двух других состояний, т, и т„имеющих определенные массы я,ит,: т,= — т,сова+ т,а~па, т„=.— т,юпа+т,соза. Угол а здесь аналогичен углу Кабиббо в случае с(- и зкварков, Рассмотрим в качестве примера пучок т„. Пусть пучок имеет определенный импульс р, тогда из-за различия масс энергии т, и т, будут различны: )... )à —,, ьц — %,* 2Е Как следствие этого, относительная фаза т, и т, линейно растет со временем, и в первоначально чистом пучке т„ постепенно появится примесь т,.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
