Савельев - Курс общей физики Том 3 - Оптика, Атомная физика, элементарные частицы (934757), страница 81
Текст из файла (страница 81)
Идея опыта заключалась в следующем. Если правое и левое в природе неразличимы, то при 8-распаде вылет электрона в направлении спина ядра н в 1 направлении, ему притивополож~ ) ном. будет равновероятен. Действительно, при зеркальном отражении ядра (рис. 274) направлеинс его «вращения», т. е. направление спина, изменяется на противоположное. Если ядро испускает 8-электрон с равной вероятностью в обоих направле- ау СГ 1~~ Рис.
274. ииях вдоль спина (рис. 274, а), то зеркальное отражение ядра будет неотличимо от самого ядра (они лишь повернуты друг относительно друга на !80'). Если' же ф-электроны испускаются преимущественно в одном направлении (рис. 274,6), то «левое» и «правое» становятся различимыми. В опыте Ву ядра радиоактивного кобальта Соси ориентировались с помощью магнитного поля спинами в одном направлении. Для того чтобы тепловое движение не нарушало этой ориентации, радиоантивный препарат охлаждался до сверхнизких температур (- О, !' К), Была обнаружена значительная разница в количествах !)-электронов, испускаемых в обоих направлениях.
Оказалось, что 8-электроны испуснаются преимущественно в направлении, противоположном направлению ядерных спинов. Таким образом, была доказана экспериментально. неравноправность правого и левого при слабых взаимодействиях (напомним„что р-распад обусловлен слабым взаимодействием). После того кан выяснилось, что пространственная четность (Р) в слабых взаимодействиях не сохраняется, Ив Л. Д. Ландау выдвинул гипотезу.') о том, что любые взаимодействия инвариантны относительно сложного. преобразования, заключающегося. в одновременной инверсии пространства и замене частиц античастицами. Такое преобразование Ландау назвал комбинированной инверсией. Согласно этой гипотезе симметрия между правым и левым сохраняется, если прн зеркальном отражении пространства частицы заменить античастицами. Если операцию пространственной инверсии обозначить символом Р, а операцию зарядового сопряжения (т.
е. замены частиц античастицами) †символ С, то символом комбинированной инверсии будет СР. Поэтому инвариантиость относительно комбинированной инверсии называют СР-и ивар иантностью. Четность состояния частицы относительно комбинированной инверсии называют комбинированной четноес т ь ю. Таким образом, два существовавших ранее раздельно закона †зак инвариантности относительно зарядового сопряжеиияз) и закон сохранения пространственной четиогти — в случае слабых взаимодействий объединяются в один з а к о н с о х р а н е н н я к о м б и н и р ованной четности.
Заметим, что если на рис. 274,б одно из ядер заменить антиядром, то направление спина изменится иа противоположное и зеркальное отражение ядра не будет отличаться от самого ядра. Комбинированная четность будет сохраняться, если приписать частице и античастице противоположные закрученности, илн спиральности (при отражении в зеркале правый винт становится левым). Под спиральностью понимается определенное соотношение между направлениями импульса р и спина а частицы. Спираль- ность считается положительной, если спин. и импульс имеют одинаковое направление.
В этом случае направление движения частицы (р) и направление «вращения», соответствующего спину, образуют правый винт (рис, 275,а). При противоположно направленных спине ') Независимо от Ландау такую же гнпотеау выдвинули Лп н Япг. т1 То есть некзменвемостн законов природы прн замене частиц античастицами. и импульсе (рис. 275,6) спиральность будет отрицательной (поступательное движение и «вращение» обраауют левый винт). Очевидно, что спиральность можно определить как знак скалярного произведения зр.
Спиральность может иметь абсолютное значение. т.е. быть внутренним свойством, лишь для частицы с нулевой массой покоя (такая частица существует, только двигаясь со скоростью с). Частица, масса покоя которой отлична от нуля, будет двигаться со скоростью п, меньшей с.
Спиральность такой частицы в системах отсчета,' движущихся со скоростями, меньшими и, и со скоростями, большими п (но Р Р меньшими с), будет, как легко видеть, различна (импульс частицы в таких системах ота счета имеет противоположные направления) . Итак, из всех частиц ') спиральностью, как ..нс.
2)б. внутренним свойством, может обладать только нейтрино. Согласно развитой Ландау (а также Янгом и Ли и Саламом) теории продольного нейтрино все существующие в природе нейтрино, независимо от способа их возникновения, всегда бывают полностью продольно поляризованы (т. е. спин их направлен параллельно или антипараллельно импульсу р). Нейтрино имеет отрицательную (левую) спиральность (ему соответствует соотношение направлений з и р, изображенное на рис.
275,6), антинейтрино †положительн (правую) спиральность (рис. 275. а). Таким образом, спиральность †э то, что отличает нейтрино от анти- нейтрино. Нарушение четности (или, что то же самое, спираль- ности нейтрино) обнаруживается также в цепочке превращений и- )ь- е. В конце своего пробега гт'-мезон распадается на мюон и нейтрино (см. (89.3)): и -ьр +чг.
') Фотон также обладает нулевой массой покоя, но, в отлнчне от нейтрино, два получагогцязся для фотона значения спнральностя (положнтельное н отрннательное) соогвегствугот не частнце н античзстнце, а двум различным состоянням полярнзацнн одной н той же частицы. Так как спин и импульс (в конце пробега) и+-мезоиа равны нулю, р+ и н должны разлететься в противоположные стороны, причем .нейтрино «навяжет» мкюну свою спиральность') (рис.
276), иначе спин системы не останется равным нулю. Мюон в конце своего пробега распадается по схеме [см. (89.5)]: р+-ее++о+9. Поскольку в рассматриваемом случае мы имеем дело с распадом поляризованных мюонов, при этом должно наблюдаться то же явление, что и при р-распаде „. гг" поляризованных ядер (в ~Я~~- С -~кЯ и"~ опыте Ву) — угловое распределение позитронов должно быть анизотропно относительно направлеРнс. 276. ння поляризации мюона, т. е. относительно направления его движения до остановки. Действительно, исследование фотографий, на которых зафиксированы процессы и- 1г- е распада в пузырьковой камере, показывает, что позитроны испускаются чаще в направлении, обратном направлению движения мюонов (см.
рис. 276). й 101 Нейтрино Нейтрино — единственная частица, которая не участвует ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях. Исключая гравитационное взаимодействие, в котором участвуют все частицы, нейтрино может принимать участие. лишь в слабых взаимодействиях. Многие свойства нейтрино уже рассмотрены нами ранее; в частности, в предыдущем параграфе было выяснено, что нейтрино обладает спиральностью. В этом параграфе мы расскажем о двух фундаментальных опытах, касающихся нейтрино. Гипотеза о существовании нейтрино была высказана в 1932 г. (см, $90). В последующую четверть века было получено множество косвенных доказательств правильности этой гипотезы, однако непосредственно наблюдать 1) В общем случае спин икона не фикснронаи относительно направления его диижения.
нейтрино не удавалось. Причина этого заключается в том, что, не обладая электрическим зарядом и массой. нейтрино крайне слабо взаимодействует с веществом. Так, например, нейтрино с энергией -1 Мзв имеет в свинце пробег — !Ото см, или 100 световых лет.
Только после создания ядерных реакторов, которые являются источниками мощных потоков нейтрино (-1О'а частис()сле'сек), появилась реальная возможность наблю- 1 дать реакции с участи- ем этих неуловимых у у ум у частиц. Непосредственное наблюдение антинейтрино было осущестДулят//т влено в серии опытов лхйям Ф. Рейнеса и К. Коуэна Сб ,члллли- (1953 — 1956) . Наблюдалась реакция й+ р- и+в+, (101.1) которая является образ'.е еслаювп А7 лэлчавм щением реакции (875) Рнс. 2П. распада нейтрона'). Свидетельством того, что антинейтрино вступило в реакцию с протоном, служил факт одновременного возникновения нейтрона и позитрона (рис.
277). Позитрон практически сразу же аннигнлировал с электроном, что приводило к возникновению двух у-квантов, энергия каждого из которых равна 0,51 Мэв. Нейтрон после замедления захватывался ядром кадмия. Образовавшееся в результате возбужденное ядро высвечивало несколько у-фотонов с суммарной энергией 9,1 Мэв. Схема установки изображена на рис. 278. Мишенью служили два сосуда (!90 Х 130 Х 7 см), заполненные раствором хлористого кадмия в воде. Три бака (!90 Х 130 Х 60 см) наполнялись жидкостью, способной сцинтиллировать под действием у-фототюв. Сцин- ') Обращением реакпин (Зт.б) в буквальном смысле слова была бы реакиня В + р + е -ь н, однако такая реакпия требует встречи трех часпщ и поэтому практически невозможна.
«Вычитание» частипы равнозначно добавлению аитичастипы. Вычитая слева е- и добавляя справа е+, получим (!О!.!). тнлляциоииые вспышки регистрировались 110-ю фото, умножнтелями. Для защиты оч иосмического излучения и выходящих из реактора, нейтронов резервуары были заключены в парафиновую, а затем в свинцовую обо-, лочки. Все устройство было глубоко зарыто в землю вблизи большого реактора. Вспышка, вызванная захватными у-фотонами, запаздывала по отношению к вспышке, обусловленной аннигиляциониыми у-фотонамн, на несколько десятков микросекунд.
Обе вспышки регистрировались по схеме с'чините л~щг Рис. 278. запаздывающнх совпадений; кроме того, оценивалась также энергия у-фотонов, вызвавших каждую вспышку (1,02 Мэв и 9„! Мзв). Это позволило надежно отделить исследуемый эффект от фона, обусловленного другими процессами. Опыт продолжался 1371 час (57 дней).. В час регистрировалось в среднем около трех двойных вспышек ожидаемой интенсивности.
Зги результаты служат прямым доказательством существования антинейтрино. Перейдем к рассмотрению второго опыта. В одних процессах 1(87.5), (90.5), (90.б), (90.7)] нейтрино (или антинейтрнно) возникает вместе с электроном (позитроном), в других процессах 1например, (89.3)] — вместе с мюоиом.
До сих пор мы полагали, что первые (электронные) нейтрино т, тождественны со вторыми (мюонными или мю-мезонными) нейтрино т„. В 19б2 г. было доказано экспериментально, что это ие так. Идея опыта бы принадлежит Б. Понтекорво. Обращением реакции (90.7) будет процесс: ч,+и-»р+е (101,2) (см. подстрочное примечание на стр. 510). Возможен танже аналогичный процесс, в котором вместо электрона возникает мюон: м»+ и-+ р+ й (101.3) (частица, участвующая в этой реакции, должна быть, очевидно, не электронным, а мюонным нейтрино). Понтекорво предложил облучать вещество образующимися прн распаде и+- р'+ т„мюонными нейтрино н наблюдать возникающие частицы.
Присутствие среди них ках е-, так и ц указывало бы на тождественность т, и т„. Присутствне только 1г свидетельствовало бы о разлнчнн электронных и мнюнных нейтрино. Опыт был осуществлен Ледерманом, Шварцем н др. в Брукхавене (США). Из камеры ускорителя на 30 Гзв были выведены и'-мезоны с энергией в 15Гэв. Процесс и- р-распада [см. (89.3)) приводил н образованию мюонных нейтрнно с энергией -500 Мзв. Поток чз направлялся в искровую камеру с массивными железными пластинамн (общнм весом 10 г). Было зарегистрировано 34 случая рождения мюонов и нн одного случая рождения электронов. Этот результат служит доказательством того, что существуют четыре различных нейтрино: те,йм уз~ йя. Таким образом, в формулах (87.5), (90.5), (90.6), (90.7) символ нейтрино должен быть дополнен индексом «е», а в формулах (89.3) — индексом «1г».
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
