Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
4.2. Когда из ядра вылетают
два электрона ^
Предсказание этого процесса связано с именем Марии Гепперт-Майер, теоретика, много сделавшего в ядерной физике. Примерно через год после создания Э. Ферми теории бета-раепада опа опубликовала работу, в которой обсуждала его возможность. |ч.
Обратимся к рис. 29, на ' котором представлены основ- || ные энергетические состояния ІI трех ядер (изобар) с по- J;!
следовательно уменьшающимся числом нейтронов и Рда> 2В> унергетические >Ров-возрастающим числом прото- ни трех ядер,
нов: (Zt N)i (Z + 1, TV - 1) и
(Z + 2, N — 2). Бета-распад первого ядра во второе запрещен законом сохранения энергии — основное состояние последнего лежит выше по энергетической шкале. А вот ?-распад первого в третье этим законом не запрещен. Он может выглядеть следующим образом:
(Z, N) -+ (Z + 2, N — 2) + 2е~ + 2ve. (48)
Два нейтрона ядра одновременно превращаются в протоны и при этом вылетают лептоны. Процесс этот носит название двойного бета-распада.
Внимание физиков он привлек потому, что мог служить для проверки закона сохранения лептонного заряда. Проследим ход их рассуждений. Реакция (48), в принципе, может иметь два внутренних механизма *).
*) б. Понтекорво предложил и третий, очень интересный механизм, но его ыы касаться не будем,
135
Первый — это независимое превращение нейтронов в протоны:
n->p + e"" + ve, n —P+ е-+ v61
(49)
2n—2p-f- 2e--t-2v,
Теперь на время предположим, что не существует закона сохранения лептонного заряда. Тогда становится возможным второй механизм для двойного бета-распада. Нри превращении первого нейтрона вылетает не антинейтрино, а нейтрино. И оно как катализатор вызывает распад второго нейтрона:
Эта реакция идет лишь при виртуальном участии ve. Вместо четырех лептонов вылетают дв а — только электроны:
Конечно, опыт Дэвиса по изучению обратного бета-распада Аг-37 уже убедил физиков, что сильного нарушения закона сохранения лептонного заряда ожидать нельчя. Ну, а частичного? Если удастся зарегистрировать процесс (50), это будет иметь очень важные следствия, ведь последнее время, в связи с проблемой «Великого объединения» взаимодействий (слабого, электромагнитного, ядерного) обсуждается вопрос о весьма ничтожном, но все же нарушении сохранения барионного и лептонного зарядов. (Мы уже касались этого, когда говорили о возможной нестабильности протона.)
Сопоставляя между собой реакции (48) и (50), можно увидеть, как отличить двухнейтринный распад от безнейтринного. В последнем случае суммарная энергия электронов будет всегда постоянной — она определяется только разностью энергий основных состояний ядер (Z1 N) и (Z + 2, TV — 2). Ab первом случае электроны обладают непрерывным спектром энергий, так как излучаются еще и два антинейтрино.
И еще: безнейтринный распад должен происходить намного быстрее. Приблизительно в миллион раз, если бы Vg= ve. А если закон сохранения лептонного заряда нарушается в 1% случаев — то в десять тысяч раз быстрее, и т. п. Поэтому экспериментатор, доказавший су-
«
ve + п —> р + е-.
2n -> 2р + 2е".
(50)
136
шествование безнейтринного распада, мог получать оценку точности этого закона — это отношение времени жизни ядра, предсказываемого теорией при полной тождественности нейтрино и антинейтрино к экспериментальному времени жизни:
Ттеор (ve = Ve)/T8KCn.
Если изучить таблицу всех изотопов, то можно найти около сотни ядер, которые могли бы испытывать двойной бета-распад. Но по многим причинам большинство из них не подходит экспериментаторам. После отбора они оставили меньше десяти изотопов.
Первые опыгы были составлены давно. С тех пор группы физиков во всем мире не раз возвращались к поискам этого процесса. Граница точности все отодвигалась, и теперь она лежит в области времен тэксп, больших IQ21 лет. А это значит, что в одном грамме исходного вещества может происходить один распад в год. И такие активности надо уметь обнаружить.
Естественно напрашиваются три возможных пути: либо сидеть и ожидать многие годы, либо увеличить массу вещества, либо делать и то, и другое. И при этом суметь подавить фоновые процессы.
4.3. Геологические эксперименты
Несколько групп экспериментаторов (среди них и советские физики) нашли оригинальный путь, при котором время ожидания продолжалось миллиарды лет. Конечно, сами ученые при этом не присутствовали. Они просто выбирали минерал (возраст которого был сравним с возрастом Земли), содержащий материнский изотоп (Z, N)1 и искали в нем атомы дочернего продукта (Z + 2, N — 2), накопившиеся там за это огромное время. Так исследовались переходы селена-82 в криптон-82 и тел-лура-130 в ксенон-130. Именно инертные газы криптон и ксенон могли быть относительно легко выделены из минерала, даже при микроскопическом их содержании в нем.
Образец размельчался, а газы поступали в специальный прибор — масс-спектрограф. В нем происходило определение изотопного состава инертного газа. И, как правило, обнаруживалось отличие этого состава от обычного, встречающегося в природе. Например, в одном из
