Фундаментальная структура материи. Частицы и силы. Новые элементарные частицы

Впервые его обнаружил Резерфорд в своих ранних исследованиях по радиоактивности; он же и дал ему название. Резерфорд установил, что радиоактивные вещества испускают лучи трех типов, которые по-разному отклоняются в магнитном поле, что в свою очередь указывает на различие знаков их электрических зарядов. Схема опыта Резерфорда изображена на рис. 2.6, где ясно видны особенности поведения всех этих лучей в магнитном поле. Лучи одного типа (обозначенные символом a-) отклоняются так же, как положительно заряженные частицы. Позднее было установлено, что эти лучи представляют собой пучки ядер гелия; они получили название a-частиц. Лучи, не отклоняемые магнитным полем, получили название g-лучей; это фотоны электромагнитного излучения высокой энергии. Лучи, которые отклоняются в магнитном поле так же, как отрицательно заряженные частицы, носят название b--лучей и состоят из электронов. Более детальные измерения показали, что a--лучи, испускаемые некоторыми элементами, все отклоняются в магнитном поле на одинаковый угол; это говорило о том, что частицы в этих лучах имеют одинаковые скорости, а следовательно, и энергии. (В некоторых случаях было обнаружено, что имеется несколько групп частиц, причем энергия частиц в каждой группе строго определенна.) Отклонение же b-лучей наблюдалось в широком диапазоне углов, причем их значения изменялись непрерывно (это символически показано на рис. 2.6). Следовательно, энергии этих лучей также должны были принимать различные значения в широком диапазоне. В течение долгого времени этот вопрос оставался для физиков загадкой. Было точно известно, что до b-распада ядро должно обладать определенной энергией; аналогично в конечном состоянии после испускания b-лучей все ядра такого типа должны были иметь определенную и одинаковую энергию. Допускалась, правда, возможность возникновения после распада нескольких конечных состояний с различными, но тем не менее строго определенными значениями энергии. Отсюда, казалось бы, однозначно следовало, что все испускаемые электроны должны иметь одинаковую энергию (или одну из нескольких строго определенных энергий), если закон сохранения энергии действительно выполняется. Поэтому непрерывное распределение энергии испускаемых частиц заставляло предположить, что электрон не уносит с собой точно такую же энергию, которую теряет ядро, и, следовательно, энергия не сохраняется.

Вначале возможность того, что в случае b-распада мы становимся свидетелями нарушения закона сохранения энергии, рассматривалась очень серьезно. Мы всегда должны быть готовы к тому, что законы, считавшиеся вполне универсальными, поскольку они подтверждались при всех экспериментальных проверках, могут оказаться неприменимыми в новой, еще не исследованной области физики. Однако для объяснения b-распада Паули выдвинул другую гипотезу, согласно которой в ходе распада должны испускаться не одна частица, а две: электрон и другая более легкая частица, которую не удается обнаружить. Если получаемая от ядра энергия распределяется между двумя частицами, то электрон в различных случаях может уносить с собой то большую, то меньшую энергию, но полная энергия двух частиц при этом должна всегда оставаться неизменной. Это объяснение оказалось правильным, и новую, очень трудно уловимую частицу назвали нейтрино (уменьшительное от слова «нейтрон»—итал.), так как она была, как и нейтрон, электрически нейтральной, но значительно легче него.

Нейтрино действительно оказалось очень трудно зарегистрировать. Эта частица может пройти через всю толщу Земли, имея пренебрежимо малые шансы столкнуться с чем-либо по пути. Во всяком случае, это верно для энергий, с которыми нейтрино испускается при b-распаде. Поэтому сначала приходилось удовлетворяться тем, что эта частица в силу названных причин просто должна существовать. Однако развитие эксперимента и создание ядерных реакторов, где нейтрино образуются в огромном количестве, в конце концов позволили обнаружить эту частицу непосредственно. Впоследствии оказалось, что при высоких энергиях взаимодействие нейтрино с веществом сильно возрастает; поэтому нейтрино, рожденные при высоких энергиях на современных ускорителях элементарных частиц, можно наблюдать сравнительно легко.