Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
T = 2пУЩ]
і — длина подвеса и g — ускорение свободного падения. Теория колебаний разрасталась, все большее количество явлений из самых разных областей описывалось ею, все сложнее делался математический аппарат. Уже .-одного маятника оказалось мало и исследователь соединял пружиной (не слишком жесткой) два маятника, как это изображено на рис. 32. Сейчас этот опыт очень любят показывать и в школе, и на лекциях в аудитории института, он прост и красив, а нам необходим для дальнейшего. Итак, давайте понаблюдаем. Два одинаковых маятника сначала висят неподвижно, соединенные пружиной. Демонстратор отклоняет один из них. Первый начинает колебаться с большим размахом, но постепенно амплитуда его колебаний все уменьшается, зато все возрастает размах второго маятника. Вот уже первый практически остановился, а второй раскачивается с максимальной амплитудой. Затем картина меняется и так продолжается чередование, пока из-за трения колебания не затухнут.
153
Можно написать дифференциальные уравнения этих процессов, решить их и получить математическое описание той картины, которую мы только что описывали. Эти уравнения всеобъемлющи, в том смысле, что описывают поведение любы? го"обнт,тх гисте?*, т'с"-ттики ли
Рис. 32. Качающиеся связанные маятники. Их движение описывается теми же уравнениями, что и нейтринные осцилляции.
это, два ли колебательных контура в электрической схеме, просто ли две системы — система I и система П. Они говорят о том, что если системы I и II независимы, то и периодические процессы в них независимы. Но стоит между системами появиться какой-либо слабой связи, какому-то взаимодействию — и возникает процесс, который мы так хорошо можем наблюдать на примере маятников. Энергия перетекает от системы I к II и от II к I1 тоже совершая колебания.
Теперь надо сделать скачок во времени, в 60-е годы XX века, когда этот математический аппарат пригодился для нейтрино. Идея о возможности нейтринных осцилляции *), как и очень многие идеи в физике слабых взаимодействий, принадлежит Б. Понтекорво. Разберем ее на таком примере. Пусть из активной зоны ядерного реактора вылетает электронное антинейтрино ve. Если закон сохранения лептонного заряда абсолютно точен, то с антинейтрино ничего не происходит. Оно соответствует системе I, а скажем, мюонное антинейтрино vu — системе II, и системы эти существуют независимо. (Точнее, второй системы в реакторе просто не существует.) Но если «сое-
*) Первоначально осцилляции нейтрино были введены Б. Пои-гекорво по аналогии с осцилляциями нейтральных К-мезонов. Но о последних мы не будем рассказывать, поскольку с развитием этой идеи выяснились многие интересные особенности, присущие только нейтринным осцилляциям.
154
динить их пружиной» — допустить, что есть взаимодействие, иногда нарушающее этот закон, то окажется возможным переход ve ?± V1x, т. е. нейтринные осцилляции. Поток электронных антинейтрино постепенно начнет представлять собой некую смесь из ve и V1I, потом останутся только V11 *), затем начнется обратный переход и т. д. Все как для связанных маятников. Для существования осцилляции необходимо еще одно важное условие. Нейтрино должно иметь хоть малую, но все же конечную массу и, следовательно, vv < с. Иначе даже при нарушении закона сохранения лептонного заряда переходы между различными сортами нейтрино окажутся запрещенными теорией относительности.
Обнаружить нейтринные осцилляции чрезвычайно интересно. Их существование означало бы не только приблизительность закона сохранения лептонного заряда п существование массы у нейтрино. Оно говорило бы и о том, что природа подарила нам еще один чрезвычайно красивый эффект и человек смог предсказать его. Вот и протянулась ниточка познания от XVI века до XIX. От раскачивающихся паникадил до огромных современных установок.
Сейчас, следуя уже выработанным на страницах этой книги традициям, автору пора бы перейти к описанию эксперимента, в котором физики зарегистрировали новый эффект. Но он не может это сделать. И по весьма уважительной причине. Осцилляции пока никто не наблюдал.
Существует ряд косвенных данных, которые подталкивают физиков на их поиски. Прежде всего «нехватка» солнечных нейтрино. Как мы уже говорили, величина их потока, которая регистрируется в опытах группы Дэвиса, меньше, чем ожидается по астрофизическим расчетам. Может быть, это связано с ошибками этого труднейшего эксперимента. Может быть, следует еще раз откорректировать расчеты. Но если разница объективно существует, то можно ожидать, что на своем пути от Солнца к Земле часть veперейдет в V1x(Vt). Последние не смогут превратить атомы хлора-37 в аргон-37. Эта проблема, конечно, прояснится со временем. Возможно, после того, как войдет в строй вторая очередь нейтринной лаборатории Академии наук, расположенной в Боксанском ущелье.
*) При некоторых условиях переход может дроисходить и не полностью.
155
Новые детекторы солнечных нейтрино позволят точнее ответить на вопрос о существовании осцилляции.
Итак, поиски ведутся. Несколько групп экспериментаторов занимаются измерениями на реакторах или готовятся к таким измерениям. Это и американские физики из Ирвинского университета (группа Ф. Рейнеса), и европейские ученые из Института Лауэ — Ланжевена в Гренобле (группа, которой руководит лауреат Нобелевской премии Рудольф Мёссбауэр) и советские исследователи. Идея экспериментаторов состоит в следующем. Детектор, который может регистрировать процесс обратного бета-распада ve + р n + е+, помещается недалеко от реактора. Если осцилляции происходят достаточло быстро и их длина составляет метры или десятки метров, то часть ve перейдет в V1x, пока они долетят до детектора. Мюонное нейтрино не вызывает реакции обратного бета-распада. Детектор их «не чувствует». Тогда число зарегистрированных событий уменьшится по сравнению с предсказаниями теории. Еще более убедительное и наглядное доказательство существования осцилляции можно получить, если измерять энергетический спектр позитронов бета-распада (а значит, и падающих антинейтрино) на различных расстояниях от ядерного реактора. Все дело в том, что ve с большой энергией должны пролететь и большее расстояние, чтобы превратиться в V1x, чем антинейтрино с малой энергией. Последние «вымирают» быстрее. И, отодвигая детектор, экспериментаторы могут увидеть, как будет уменьшаться число позитронов с малой энергией по отношению к энергичным е+.
