Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
P+ -> е+ + Г, (43)
P+-»- е+ 4- е+ 4- е-. (44)
В них не нарушаются никакие законы сохранения и они отличаются от реакции, приведенной выше, только тем, что нейтрино и антинейтрино успели аннигилировать (43) или родить электрон-позитронную пару е+е" (44).
Теоретики оценили вероятность W процессов (43) и (44). Оказалось, что, например,
К = Иг Qi-е +у) = ю-з ^ Ю-*. W(\i-*e 4- V 4- V)
Начались поиски таких процессов. Искали, но не находили. Ограничения на величину К все уменьшались: меньше Ю-4, меньше 10~5, 10"7 *) и т. д. Природа упорно запрещала мюону распадаться на электрон и гамма-квант.
И для того чтобы объяснить этот запрет, физики предположили, что существует два типа нейтрино. Одно сопутствует электрону (ve) и второе — мюону (v11). В распаде нейтрона и л~-мезона возникают разные антинейтрино: _
п -* р 4- е~ 4- ve, (45
JT p." + v1x, (46)
а реакцию распада ц-мезона следует написать в виде H+-^e+-T-Vn-T-Ve- (47)
В этом случае вместо одного лептонного заряда можно ввести два: электронный — 1й и мюонный — I11, и два закона сохранения: — const и = const. Значения
*) По последним данным (1979 г,} К < 1,9 -10-?0.
127
Частица і е { д
е~ І 0
Є+ —1 0
iе 1 0
ve —1 0
Ц~ 0 1
H+ 0 —1
v.. 0 1
Ji
V д Осталь- 0 —1
0 0
ные
частицы
этих зарядов для различных лептонов приводятся в таблице.
Теперь процессы распада мюона на позитрон и гамма-квант (43) или на электрон и два позитрона (44) окажутся автоматически запрещенными новыми законами сохранения.
Гипотеза могла превратиться в твердо установленный факт только после ее подтверждения экспериментом.
Опыт по изучению различия ve и был первым из нейтринных экспериментов, выполненных на ускорителях высоких энергий. Его идея (она принадлежала Б. Понтекорво) предполагала возможность наблюдения взаимодействия v11 с веществом (аналогично опыту Рейнеса — Коуэна для ve\ Если при таком взаимодействии будут рождаться мюоны и не будут возникать электроны, то это послужит доказательством того, что =^= ve.
3.6. Нейтринные эксперименты на ускорителях
Как часто теперь можно услышать слова: ускорение частиц, ускоритель, гигантский ускоритель. А ведь появились они даже в лексиконе физиков сравнительно недавно. И снова история возвращает нас к 193^ г., золотому году экспериментов. Именно в этом году два молодых физика Джон Кокрофт и Эрнст Уолтон, работавших в лаборатории Резерфорда, расщепили ядро ли-тия-7 протонами, ускоренными до энергий 600—700 кэВ Собственно сама идея, заключающаяся в том, что в элект^
128
рическом поле можно разогнать до высоких энергий заряженные частицы, обсуждалась и была воплощена в жизнь в нескольких лабораториях.
За десять лет до этого, в еще не оправившемся от голода и разрухи Петрограде, был создан Радиевый институт. Руководитель его физического отдела Л. Мысовский вместе со студентом В. Рукавишниковым предложили разгонять альфа-частицы до нескольких миллионов электрон-вольт с помощью генераторов высокого напряжения. Через семь лет на другом конце земли в Принстонском университете США Ван де Грааф создал новый, очень интересный тип электростатического генератора. Он позволял получать постоянную разность потенциалов сначала в сотни тысяч, а в более поздних моделях и в миллионы вольт. Эта разность потенциалов, приложенная к вакуумной трубке, могла разгонять ионы водорода — протоны или ионы других газов. И все же именно Кокрофт и Уол-тон с помощью ускорителя впервые совершили открытие в ядерной физике. Протоны влетали в ядро лития-7, преодолев его кулоновское отталкивание (вот зачем их надо было разогнать), и разрывали его, расщепляли. В результате реакции получались две альфа-частицы. Хотя при "создании своего прибора английские исследователи старались быть очень экономными и широко использовали жестяные банки из-под печенья и другие «находки», тем не менее машина вышла отнюдь не дешевой и огромной, как полагали ее создатели (она стоила 1000 фунтов стерлингов и занимала довольно большую комнату).
В том же 1932 г. молодой адьюнкт-профессор Калифорнийского университета Э. Лоуренс получил пучок протонов, ускоренных почти до четырех миллионов электрон-вольт. Пучок вылетал из сконструированного им первого кольцевого ускорителя-циклотрона. В ускорителе частицы разгонялись электрическим полем, а магнитное заворачивало их траекторию. Таким образом, пучок мог многократно проходить ускоряющий промежуток. Он двигался по плоской спирали, набирая энергию и увеличивая радиус, пока не вылетал за пределы магнитного поля. В первых моделях размеры ускоряющих камер составляли 10, 12,5 см. Ускоритель монтировался с применением стеклянных трубочек, пластинок, сургуча и т. п. Потом одна кампания подарила исследователю ржавеющий на складах 74-тонный магнит. Это и позволило ускорить протоны до 4 МэВ.
S А. А. Боровой
120
Итак, новорожденный прибор появился на свет. И после этого зашагал семимильными шагами.
Через каждые пять лет энергии ускоряемых частиц возрастали приблизительно в 10 раз. Рождались оригинальные идеи и вслед за этим создавались новые типы ускорителей. Комнаты сменились залами, затем ангарами. Пришло время, когда сфотографировать ускоритель целиком стало возможным только с самолета. Цифры в 1000 фунтов дополнились справа таким количеством нулей, что строительство ускорителей стало по карману только наиболее богатым странам. Но и они объединяются для создания новых гигантов.
