Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
78
7.6. Вопросы и задачи
25. Посмотрите таблицу элементарных частиц, приведенную в конце книги, и па основании данных о распаде заряженных и нейтрального л-мезонов оцените относительную интенсивность слабого и электромагнитного взаимодействий в этих распадах.
26. Вначале физики предполагали, что масса покоя нейтрино не сильно отличается от массы электрона. Скажем, составляет 0,1 те. Во сколько раз скорости частицы в этом случае меньше скорости света при Ev = 1 МэВ?
27. На рис. 14 изображен спектр электронов, испускаемых при бета-распаде. А как будет выглядеть спектр нейтрино?
ЧАСТЬ II
ДЕТЕКТОРЫ И НЕЙТРИНО
Глава 1
СЦИНТИЛЛЯТОРЫ И ОТКРЫТИЕ НЕЙТРИНО
1.1. Как зарегистрировать нейтрино?
В юности Паули был очень дружен с астрономом Вальтером Бааде. Какое-то время они даже жили в одном доме. И вот, однажды вечером взволнованный Паули вошел к Другу со словами: «Я сделал сегодня что-то ужасное. Физику-теоретику никогда не следует делать такого. Я предположил нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально». Как догадывается читатель, речь шла о нейтрино. Бааде тут же сообразил, что можно предложить Паули совершенно беспроигрышное пари па бутылку шампанского. Он стал утверждать, что нейтрино будет зарегистрировано при их жизни- Беспроигрышное, поскольку, если бы нейтрино было зарегистрировано после смерти спорщиков, Паули не смог бы воспользоваться выигрышем и отведать свой любимый напиток.
Сразу скажем, что оптимизм победил, шампанское было выпито вместе с экспериментатором, который зарегистрировал нейтрино. Вся эта история была рассказана на одной из физических конференций, уже после смерти Паули.
Глава, к которой мы приступаем, служит читателю доказательством, что, будучи слабым спорщиком, Паули был, без сомнения, великим физиком.
Какие доказательства существования нейтрино требовались для того, чтобы оно стало полноправным членом семейства элементарных частиц; таким же, как электрон, протон или гамма-квант? Ведь казалось, что опыты, сделанные уже через 2—3 года, еще раз подтвердили, что в бета-распаде участвует «нечто», уносящее энергию и импульс.
80
Многими экспериментаторами была проверена и теопия Ферми, в которой нейтрино играло основополагающую роль. Но все это были лишь косвенные свидетельства. «Нейтрино» все еще могло оказаться просто удобной игрой слов, скрывающей за собой нарушение законов сохранения в слабом взаимодействии. Однозначное доказательство мог дать эксперимент, в котором эта частица была бы зарегистрирована вдали от точки своего рождения. Найти недостающую энергию в другом месте и означало доказать вещественность, физическую реальность частицы, переносящей ее.
Выполнить такой эксперимент представлялось необычайно трудным. Ведь теория предполагала, что у нейтрино ничего нет — нет массы, заряда, магнитного момента. Оно не может ионизировать или возбуждать атомы, а детекторы элементарных частиц чувствительны именно к электромагнитным процессам. Конечно, оставались лазейки такого сорта: вдруг у нейтрино есть маленький заряд, много меньший заряда электрона? (В это никто не верил, так как все верили в закон сохранения заряда.) Или, вдруг у нейтрино есть магнитный момент, но тоже очень малый (в это поверить было легче)?
Если же ни того, ни другого нет, то нейтрино — «чистый» представитель слабых сил, без всяких электромагнитных свойств. Оно может себя обнаружить, только если путем слабого взаимодействия передаст часть энергии заряженным частицам и уже те будут зарегистрированы. Оставалось найти подходящий процесс.
И вот, в 1934 г. предложили использовать для обпару-яїєния нейтрино реакцию, при которой оно взаимодействует с водородом (с протонами) и рождает нейтрон и позитрон:
V + р -»- n + е+. (32)
Реакция эта по многим признакам была очень привлекательна.
Во-первых, она обязана была происходить (а про многие другие процессы с нейтрино это заранее известно не было). Согласно общим физическим принципам, если возможен процесс (29) — распад нейтрона на протон, электрон и нейтрино, то обязательно существует и обратная ему реакция (32).
Во-вторых, теория Ферми предсказывала, что в потоке нейтрпно небольших энергий, скажем, излучаемых при
81
?-распаде ядер, вероятность этого процесса гораздо больше, чем любого другого.
В-третьих, две частицы, которые вылетают в результате реакции, достаточно «колоритны» и можно надеяться их зарегистрировать. Реакция (32) имеет энергетический порог. Это значит, что она идет только в том случае, если энергия нейтрино превышает 1,8 МэВ. Рассчитать этот порог несложно: к разнице масс протона и нейтрона 1,3 МэВ надо прибавить массу покоя образующегося позитрона 0,5 МэВ. Получается 1,8 МэВ.
Теперь оценим вероятность такого обратного процесса. Если считать, что мы обладаем источником, излучающим поток нейтрино с энергией 3 МэВ, и этот поток падает на мишень, например, кубометр воды (в воде достаточно большая концентрация протонов), то из 10ls частиц — из миллиона триллионов частиц — лишь одна прореагирует в такой мишени. Все познается в сравнении Так вот, из ста гамма-квантов той же энергии с водой провааимо-действуют 99. Трудно сказать, что эти цифры были обнадеживающими.