Зачем физики придумали нейтрино

Как часто бывает в науке, новые идеи выдвигаются тогда, когда в рамках существующих знаний возникает парадокс. "Изобретение" нейтрино также было вызвано кажущимся парадоксом, обнаруженным при экспериментальном исследовании так называемого процесса бета-распада. Этот процесс состоит в самопроизвольном испускании отрицательных электронов (е-) атомными ядрами. Когда нейтрино еще не было "изобретено", предполагали, что бета-распад ядра Z, имеющего заряд +Ze, происходит по схеме

Z=(Z+1)+е-

Но оказалось, что энергии вылетающих электронов в этом процессе не строго определенные, а самые разнообразные. В большинстве случаев энергии явно не хватало по сравнению с той, какую они должны были теоретически иметь. Создавалось впечатление, что энергия куда-то исчезает, как будто нарушался закон сохранения энергии. Трудности были настолько серьезными, что некоторые крупные физики предлагали даже отказаться от этого фундаментального закона.

Кажущееся несохранение энергии, однако, имело довольно странный характер. Действительно, если энергия не сохраняется в процессе бета-распада, то мы должны были бы ожидать, что иногда энергии электронов будет не хватать, а иногда появится "лишняя". Однако оказалось, что "выигрыша" энергии не бывает.

Таким образом, не естественное стремление сохранить незыблемыми законы физики, а факты, которым в науке всегда принадлежит последнее слово, заставили встать на защиту закона сохранения энергии. Но как?

"Изобретатель" нейтрино рассуждал так. Кажущееся несохранение энергии обусловлено просто тем, что вышеприведенная схема неправильно описывает процесс бета-распада. В нем должна участвовать ненаблюдаемая на опыте нейтральная (и потому практически необнаружимая) частица, уносящая "исчезнувшую" энергию. Она и была названа нейтрино. Таким образом, схема бета-распада выглядела так:

Z=(Z+1)+е-+Антинейтрино

И хотя выделяющаяся при этом суммарная энергия всех частиц имеет точно определенную величину, она распределяется между продуктами распада так, что в разных случаях электрон получает разные ее порции. Самый фундаментальный процесс бета-распада - распад нейтрона будет поэтому описан схемой

n=p+е-+Антинейтрино

Внутри атомных ядер протон также может превращаться в нейтрон с испусканием положительного электрона (или позитрона) и нейтрино:

p=n+е++Нейтрино.

Заметим здесь, что с логической точки зрения тот тип рассуждений, который привел Паули к теоретическому предсказанию существования нейтрино, часто встречается при решении даже самых простых парадоксов. Вот, например, старый парадокс с цирюльником. В маленьком городке, скажем, в Дубне на Волге, живет парикмахер, который подстригает всех мужчин, кто не стрижет самих себя. Спрашивается, стрижет ли себя сам парикмахер? Ясно, что как положительный, так и отрицательный ответ на этот вопрос ведет к противоречию. Парадокс решается, если сообразить, что нет и не может быть такою парикмахера. И если вы внимательно проследите за рассуждениями Паули, вы увидите, что аргументы в пользу существования нейтрино в природе очень похожи па те, которые приводятся против существования нашего парикмахера в Дубне.

Итак, нейтрино - это частица, которая при бета-распаде уносит часть энергии. Так предполагали физики-теоретики, которые с самого начала изобрели ее как "неуловимую" частицу. И сразу же были предсказаны свойства повой частицы: она должна быть электрически нейтральной, очень проникающей и чрезвычайно малой по массе. Иначе экспериментаторам было бы нетрудно обнаружить ее, а это оказалось совсем не просто. Последнее свойство - крайне малая масса - согласно теории относительности приводит к тому, что нейтрино не может находиться в состоянии покоя: оно всегда движется со скоростью света.



После того как гипотеза о существовании нейтрино была сформулирована, физики попытались найти и другие доказательства его присутствия в бета-распаде. Как известно, при превращениях частиц, как и при любых физических процессах, происходящих в какой-нибудь системе, сохраняется не только энергия, но и количество движения, или импульс. Закон сохранения количества движения, вероятно, известен читателю: на нем основан, например, принцип действия ракеты.

Если нейтрон, испытывающий бета-распад, неподвижен, то его импульс равен нулю. Значит, и суммарный импульс всех частиц - продуктов распада - также должен быть равен нулю. Но в многочисленных опытах, первый из которых еще в 1934 г. поставил советский физик Александр Ильич Лейпунский, было показано, что суммарный импульс электрона и ядра отдачи (Z+1) при бета-распаде ядра Z не равен нулю. Это подтверждает гипотезу о нейтрино: неуловимая частица уносит "исчезающий" импульс.

Как выяснилось после открытия других элементарных частиц, особенно так называемых мезонов, нейтрино принимает участие не только в бета-распаде ядер, но и в других процессах. Его присутствие обнаруживается всегда, когда энергия как будто исчезает. Кстати, в некоторых из этих процессов, где число образующихся частиц равно двум, а не трем, как в процессе бета-распада, характер "несохранения энергии" более чем подозрителен и требует существования нейтрино еще яснее, чем в случае бета-распада.

Например, при распаде так называемого пиона (или пи-мезона) всегда "исчезает" определенная энергия, около 30 миллионов электронвольт. В процессе захвата мюона (или мю-мезона) ядром гелия-3

ч-+3He=3H+Нейтрино,

обнаруженном в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, "исчезает" около 100 миллионов электронвольт (энергия нейтрино), а ядра отдачи трития 3H имеют энергию, всегда точно равную 1,9 миллиона электронвольт. Если бы эти процессы были известны раньше, чем бета-распад, быть может, не было бы необходимости в гении Паули для "изобретения" нейтрино.

Подводя итоги, можно сказать, что нейтрино было "изобретено" теоретически, что свойства этой "неуловимой" частицы были первоначально постулированы с целью оправдания ее "ненаблюдаемости". Такое положение господствовало в физике нейтрино в последние 25 лет. Ферми, оставивший неизгладимый след во всех областях физики, не мог успокоиться только почетной ролью "крестного отца" нейтрино и создал количественную теорию процесса бета-распада, основанную на аналогии с теорией излучения квантов света возбужденным атомом. Согласно этой теории, подобно тому, как фотон рождается в процессе разрядки возбужденного состояния, а не находится заранее внутри возбужденного атома, так и атомное ядро испускает пару нейтрино-электрон в процессе бета-распада, а о существовании нейтрино и электронов внутри ядра речь идти не может.

Возможно, что у некоторых, если не у всех, читателей возникла скептическая мысль: ведь нейтрино открыли теоретически, исследовали косвенным образом, а не фантазия ли все это?

Теоретическое "изобретение" нейтрино, правда, вполне обоснованно. Но нейтрино, конечно, материально и, в принципе, доступно регистрации. Его ненаблюдаемость могла быть только временной, вызванной трудностями, связанными с уровнем экспериментальной техники. Поэтому физики, так же как и читатели этой статьи, вправе требовать "железной" проверки гипотезы нейтрино