Жизнь и идеи Бруно Понтекорво - Михаил Сапожников

class="p1">Понтекорво и Ханна измерили энергетический спектр электронов в распаде трития и получили первое ограничение на массу нейтрино – меньше 500 эВ [55]. С тех пор этот опыт повторяли много раз, каждый раз на новом уровне техники. Сегодня распад трития изучают в огромной установке KATRIN, где диаметр спектрометра достигает 10 метров. Набор статистики еще не закончен, последнее достижение – масса нейтрино меньше 1,1 эВ [56]. Это самое жесткое ограничение на массу нейтрино, полученное в прямых измерениях. То есть оказалось, что Понтекорво и Ханна в 1949 г. предложили лучший экспериментальный способ для прямого измерения массы нейтрино[9].

16. Универсальность слабого взаимодействия

В конце сороковых единственным известным процессом слабого взаимодействия был бета-распад нейтрона (2). Правда, в космических лучах уже был открыт мюон с массой 105 МэВ, но в первое время думали, что эта частица является переносчиком сильного взаимодействия. Называли ее «мезотроном». Существование мезотронов предсказывал японский физик Х. Юкава. Согласно теории Юкавы, атомное ядро стабильно за счет постоянного обмена мезотронами между протонами и нейтронами. То есть мезотрон – частица, склеивающая протоны и нейтроны в ядре.

Но в 1947 г. М. Конверси, Э. Панчини и О. Пиччиони установили, что мезотрон не является сильновзаимодействующей частицей. Они увидели, что положительные и отрицательные мюоны с одинаковой вероятностью проходят через графит. Отрицательно заряженные мюоны, подобно электронам, должны были замедляться, захватываться в атомы, а затем поглощаться ядром. Но раз этого не происходило, то вероятность захвата должна быть меньше вероятности распада мюона. Казалось бы, что тут такого? Но вероятность распада мюона была известна экспериментально, а вероятность захвата можно было оценить из теории Юкавы. Оказалось, что если мезотрон – частица Юкавы, то расчеты не сходятся с экспериментом в 1012 раз!

Сейчас, когда открытие означает тонкий эффект превышения сигнала над фоном на уровне пяти статистических ошибок, трудно представить, что было такое счастливое время, когда экспериментаторы находили явления, не сходившиеся с теорией в 1012 раз!

Луис Альварес в своей Нобелевской речи в 1968 г. говорил, что современная физика частиц началась именно с опыта Конверси – Панчини – Пиччиони.

На Бруно этот опыт также оказал сильнейшее влияние: просто изменил всю жизнь, поскольку привлек внимание к проблемам физики частиц и космических лучей [29]. Сам Бруно рассказывал о своих впечатлениях следующее [57]:

«Как только я прочел статью Конверси и др., я был буквально пленен частицей, которую мы теперь называем мюоном. Это была действительно интригующая частица: “заказанная” Юкавой и открытая Андерсоном, она, как обнаружили Конверси и др., в действительности не имела ничего общего с частицей Юкавы!

Я почувствовал себя подхваченным антидогматическим ветром и начал задавать массу вопросов типа:

– Почему спин мюона должен быть целым?

– Кто сказал, что мюон должен распадаться на электрон и нейтрино, а не на электрон и два нейтрино или электрон и фотон?

– Является ли заряженная частица, вылетающая при распаде мюона, электроном?

– Испускаются ли при распаде мюона другие частицы, кроме электрона и нейтрино?

– В какой форме высвобождается энергия при захвате мюона ядром?»

Я хорошо помню огромное впечатление, которое на меня произвело это перечисление, когда Бруно рассказывал о нем в одном из своих выступлений на сессии Ученого совета ОИЯИ. Меня поразила глубина и многогранность анализа. Бруно рассматривал не один, хоть и выдающийся, экспериментальный факт, а все стороны и все вопросы, которые возникают при изучении этого явления. Глубина и системность анализа – ключевые отличия научного таланта Бруно – очень хорошо проявляются в этом перечислении.

Обдумывая причины аномального взаимодействия мюона с веществом, Бруно пришел к фундаментальной идее: а что если взаимодействие мюона с веществом – это такое же слабое взаимодействие, как и бета-распад нейтрона?

Эту идею Бруно изложил в 1947 г. в классической статье в Physical Review, которая занимает меньше странички текста [58].

Суть статьи в одном предложении:

«We notice that the probability (about 106 s-1) of capture of a bound negative meson is of the order of the probability of ordinary K-capture processes…».

В нем Бруно обращает внимание на то, что скорость захвата отрицательного мюона ядрами, после поправок на фазовый объем, сравнима со скоростью захвата электрона с нижней К-орбиты атома.

В современных обозначениях речь идет о том, что измеренная вероятность захвата мюона ядром

оказалась близка к вероятности процесса захвата электрона

Все, в статье нет ни единой формулы, нет никаких четких цифр. Обсуждение идет по порядку величины. Есть только чистая идея – одно предложение, приведенное выше, а весь остальной текст посвящен тому, что если это предположение верно, то как можно его проверить экспериментально. Здесь как раз и приводится тот список вопросов, о которых Бруно потом неоднократно рассказывал, в том числе и на сессии Ученого совета ОИЯИ.

Однако основная ценность статьи не в составлении списка вопросов, которые затем вылились в целую программу экспериментов. В ней впервые была высказана мысль о том, что слабое взаимодействие может быть одинаковым как для электрона, так и для мюона. То есть бета-распад, распад мюона и захват мюона в ядрах – проявление одного и того же взаимодействия.

Позднее эту идею красиво представил Джампьетро Пуппи, который в 1948 г. предположил, что все процессы слабого взаимодействия имеют одинаковую силу и визуализовал это утверждение в виде треугольника (Рис. 16-1), у которого длина стороны соответствует величине константы связи соответствующего процесса.

Это сейчас, когда универсальность слабого взаимодействия надежно установлена, Бруно и другим ученым, позднее высказавшим аналогичную идею, воздается должное. Но в конце 40-х многое было непонятно, и вопрос об универсальности слабого взаимодействия долгое время был совершенно открыт. Для гравитационного взаимодействия ситуация четкая: его универсальность проявляется в одинаковости силы гравитации или точнее – константы гравитационного взаимодействия между любыми частицами. В случае же слабого взаимодействия эксперименты показали, что константы взаимодействия электрона с нуклоном или мюона с нуклоном похожи, но не совсем одинаковы. Треугольник Пуппи не совсем равносторонний. Потребовалась довольно нетривиальная модификация теории и многочисленные эксперименты, чтобы прийти к заключению, что все лептоны действительно взаимодействуют с одинаковой силой.

Рис. 16-1. Треугольник Пуппи.

Сейчас это одно из основных положений современной Стандартной модели физики элементарных частиц, но в 1947 никакой пророк не мог этого предвидеть. Но почувствовать!

Мы уже говорили, что сам Бруно считал, что как физика его выделяет наличие «немного фантазии». Пример с универсальностью слабого взаимодействия очень хорошо показывает другое качество таланта Бруно – умение предугадывать важность проблемы еще до того, как многие в ней разобрались. Г. В. Мицельмахер назвал это качество Бруно