Открытие субатомных частиц - нейтрон, фотоны, нейтрино, позитроны и другие античастицы, страница 8

Теория Ферми позволила также рассчитать эффективное сечение поглощения нейтрино в веществе. Поскольку нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом, значение этого сечения настолько мало, что нейтрино с энергиями, которые они приобретают при бета-распаде, должны обладать способностью проходитьв свинце без поглощения расстояния, равные нескольким световым годам. Не удивительно, что в экспериментах Эллиса — Вустера нейтрино не вносили никакого вклада в тепловую энергию. Ней-трино чрезвычайно трудно зарегистрировать; они во множестве испускаются в ядерных реакторах (в результате бета-распада богатых нейтронами продуктов деленияядер), и в 1955 г. нейтрино наконец-то удалось«поймать». Это сделали Клайд Л. Коуэн, мл. и Фредерик Рейнес на реакторе в Саванна-ривер. Сейчас нейтрино получают в огромных количествах при распаде частиц, образующихся на больших ускорителях; взаимодействия нейтрино широко изучаются как экспериментально, так и теоретически. Эти частицы очень распространены во Вселенной. Хотя космические нейтрино до сих пор не удалось зарегистрировать, предполагается, что от Большого взрыва их осталось примерно столько же, сколько и фотонов: в 10⁹—10¹⁰ раз больше, чем протонов или нейтронов. Однако нейтрино взаимодействуют слишком слабо, чтобы их могли поглотить атомы обычного вещества.

Позитроны

В конце 20-х годов кембриджский физик-теоретик Поль Адриен Морис Дирак (р. 1902) занялся разработкой варианта квантовой механики, совместимого с частной теорией относительности. В процессе работы Дирак столкнулся с удивительным результатом: полученное им уравнение для описания электрона имело решение с отрицательной энергией. Пытаясь объяснить, почему все электроны не попадают в состояния с отрицательной энергией, Дирак в 1930 г. выдвинул такую гипотезу: эти состояния обычно уже заполнены и поэтому не могут принять дополнительные электроны в силу того правила (известного как принцип Паули), в соответствии с которым внешние электроны в атоме не могут переходить на внутренние орбиты с более низкой энергией. Определенные состояния с отрицательной энергией могут оставаться незанятыми, и эти «дырки» в безграничном море отрицательно заряженных частиц с отрицательной энергией могли бы наблюдаться в виде частиц с положительной энергией и положительный электрическим зарядом. В силу неписаных законов «научной этики» считалось несолидным постулировать существование новых частиц, и Дирак сначала предполагал, что эти «дырки» следует отождествлять с протонами. Однако Герман Вейль обратил внимание на то, что между «дырками» и электронами существует симметрия, и тогда Дирак вынужден был признать, что «дырки» должны иметь такую же массу, как и электроны. Его предположение получило неожиданное подтверждение в 1932 г., когда американский физик-экспериментатор Карл Андерсон (р. 1905) зарегистрировал треки частиц космических лучей, которые искривлялись в магнитном поле примерно так же, как треки электронов, но в противоположном направлении. Теперь с высокой точностью установлено, что эти частицы — они были названы позитронами — имеют такую же массу, как электроны, и электрический заряд, равный по величине, но противоположный по знаку заряду электрона. В современной Вселенной позитроны, по-видимому, крайне редки; они возникают только в космических процессах типа генерации космических лучей или взрывов сверхновых да в редких видах бета-распада, при которых протон (в богатых протонами ядрах) превращается в нейтрон. Сталкиваясь, позитрон и электрон аннигилируют, порождая излучение, которое и уносит всю энергию, эквивалентную их массам. По этой причине позитроны никогда не обнаруживаются в обычном веществе.

Другие античастицы