Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
Радиус действия слабых сил ничтожно мал даже по сравнению с ядерными масштабами. Последние составляют Ю-14 м, а первый — меньше, чем Ю-17 м. Не удивительно, что «рассмотреть», какие частицы переносят слабые взаимодействия и играют ту же роль, что и гамма-кванты в электродинамике, оказалось очень трудным.
Теория бета-распада, которую опубликовал в 1934 г. Э. Ферми, сделала в этом направлении только первый шаг. Уже говорилось, что она была построена по аналогии с электродинамикой, и это оказалось в дальнейшем совершенно правильным. Что же касается механизма слабых
6 А. А. Боровой
145
сил, то фермиевская теория рассматривала процесс превращения нуклонов в ядре и рождение ?-часткцы и нейтрино как бы издалека, не интересуясь его деталями. Считалось, что все происходит в одной точке. И такое приближение было правильно, пока речь шла об ядерном бета-распаде с его, относительно малыми, энергиями « 10 МэВ).
На вопрос о квантах слабого поля окончательный ответ был получен после создания единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий. В нее был вложен труд очень многих ученых, среди которых главную роль сыграли С. Вайнберг, ПІ. Глешоу и А. Салам.
Действие разыгрывается в области пространства, в тысячи раз меньшей, чем атомное ядро. Здесь бета-распад нейтрона выглядит так, как это показано на диаграмме (рис. 31, а). Нейтрон, превращаясь в протон, излучает
Рис. 31. а) Распад нейтрона происходит через промежуточный векторный бозон (заряженный ток); б) распад положительного мюона (заряженный ток); в) процесс рассеяния нейтрино на протоне. Он осуществляется путем обмена нейтральным бозоном (нейтральный
частицу,— квант слабого поля, которая носит название «векторный бозон» (W-). Эта частица переносит отрицательный заряд и распадается на электрон и нейтрино. Радиус слабого взаимодействия мал и это означает, что масса W-бозона очень велика (порядка 105 МэВ), в соответствии с тем, что мы уже обсуждали на стр. ''70. Второй член семейства векторных бозонов W+ можно увидеть на следующей диаграмме, изображающей распад р.+-мезона (рис. 31, б). Наконец, в теории возникли! еще два уже нейтральных бозона. Но они не проявляются в отдельности, а всегда только в сочетании друг с другом. Их смещение дает, во-первых, массивную нейтральную частицу Z0, а, во-вторых, знакомый нам гамма-квант с нулевой массой покоя. Пока расстояния между частицами малы, обмен VV", W+, Z0 или Y-KBaHTaMH приводит к одинаковой
P
п
ток).
14U
силе взаимодействия. В этом сказывается единая природа слабых и электромагнитных сил. Они выступают с единым по величине зарядом е, связанным с фермиевской константой слабого взаимодействия и массой бозона соотношением G ~ e2IM%f. Но вот расстояние между частицами стало больше радиуса слабых взаимодействий. Обмен виртуальными бозонами теперь затруднен. Принцип неопределенности запрещает этим массивным частицам долгое существование и они проникают на большие расстояния с очень малой вероятностью. Гамма-кванты, не обладающие массой, получают в этом случае преимущество. Единые по природе электромагнитное и слабое взаимодействия выглядят «со стороны»,, как разные виды сил.
Успех единой теории состоял в том, что она смогла решить еще многие сложные вопросы, рассказ о которых увел бы нас далеко ва рамки этой книги. Процессы, которые можно объяснить обменом заряженными бозонами W- и W+, наблюдались и были изучены до создания единой теории *). Она просто позволила взглянуть на них с новой стороны. Но вот что касается нейтрального тяжелого бозона, то схема Салама — Вайнберга предсказала и его существование, и целый ряд процессов с участием Z0, которые еще не наблюдались на опыте (рис. 31, в). Эти реакции получили название процессов с «нейтральными токами»а поскольку Z0 не переносит заряд.
5.3. Пузырьковые камеры]
Теория предсказывала существование нейтральных токов и делом экспериментаторов было подвергнуть это проверке опытом. Правда, нейтральные токи в слабых взаимодействиях искали и раньше, но успеха эти поиски не принесли. Теперь же все были снова заражены энтузиазмом. В середине 1973 г. в печати появилось сообщение из Центра Европейских ядерных исследований (то самое, которое подписали 55 физиков из 7 институтов и шести разных стран: ФРГ, Бельгии, Швейцарии, Франции, Италии и Англии) о том, что нейтральные токи обнаружены. Сделано это было с помощью детекторов, о которых мы еще ничего не говорили,— пузырьковых камер. Они смонтированы на пути пучков крупнейших в мире ускорителей. Многие из камер носят красивые названия:
*) Сами вентерные бозоны никто не наблюдал,
6» 147
•Мирабель», «Людмила», «Гаргамель» и т. п. Однако, за женскими именами скрывается отлюдь не хрупкое «телосложение». Так, собственные размеры «Мирабель» — 1,6 м в диаметре и высота 4,7 м. Эту камеру разработали французские ученые и инженеры и собрали на ускорителе ИФВЭ (Серпухов) для совместных работ с советскими физиками. Камеру окружает вспомогательная аппаратура и объем ее измеряется десятками кубометров, а масса сноло 3000 т. Магниты, сквозь полюса которых проведены каналы для фотографирования событий. Специальные установки, в которых получается жидкий водород, наполняющий камеру. Множество других приборов.
