Жизнь и идеи Бруно Понтекорво - Михаил Сапожников

видим структуры у электрона. Слово «пока» здесь существенно. Нет никакой гарантии, что на новом уровне развития ускорительной техники, при переходе к большим энергиям, мы не обнаружим структуру электрона. И знаменитая формула В. И. Ленина «Электрон так же неисчерпаем, как и атом» обретет, наконец, буквальный смысл.

Рис. 32-1. Калибровочные бозоны

Элементарные частицы делятся на кварки, лептоны и промежуточные бозоны, которые переносят взаимодействия между частицами, включая, знаменитый бозон Хиггса, квант поля Хиггса, взаимодействие с которым придает элементарным частицам массу.

Все открытые на сегодня элементарные частицы умещаются в простую схему, приведенную на Рис. 32-1.

В левом верхнем углу рисунка показан кварковый сектор, состоящий из 6 кварков. Кварки участвуют во всех 4 известных взаимодействиях: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном. Эти частицы создают окружающее нас вещество: из трех кварков (uud) состоит протон, из комбинации (ddu) – нейтрон.

Комбинации кварк-антикварк позволяют создавать многочисленные мезоны: пример, который мы будем усиленно обсуждать, – К0-мезон с массой 495 МэВ. Он состоит из пары d- и s – кварков. В его состав входит странный кварк – носитель особого квантового числа странности S. Странность К0-мезона – S = +1. Античастица К0-мезона состоит из пары d— и s-кварков. У нее точно такая же масса, а странность S = –1. Странность – это пример того, что кварки являются носителями флейворов (ароматов) – особых квантовых чисел, которые сохраняются в сильных взаимодействиях, но нарушаются в слабых.

В левом нижнем углу на Рис. 32-1 показано семейство из 6 лептонов, которые, так же как и кварки, образуют окружающее нас вещество. Самый известный лептон – электрон, в состав каждого атома входят электроны. Лептоны не испытывают сильного взаимодействия, но участвуют во всех остальных. Так же как и кварки, они имеют свои флейворы, называемые лептонными числами.

Всем лептонам приписывается лептонное число L = +1, всем антилептонам L = –1. После открытия двух типов нейтрино стали думать, что у каждого лептона есть свое лептонное число – Le и Lµ . В Таблице 32.1 приведены значения этих чисел для первых двух поколений лептонов. До открытия осцилляций нейтрино считалось, что сумма лептонных чисел каждого типа сохраняется во всех реакциях и распадах.

Лептонный сектор начали исследовать с начала ХХ века, когда был обнаружен электрон – отрицательно заряженная частица с массой 0,5 МэВ. В 1936 г. в космических лучах Карл Андерсон обнаружил мюон – частицу с массой 105 МэВ. Оказалось, что свойства мюона очень сильно напоминают свойства электрона. Например, можно сделать экзотический атом, в котором вместо электрона будет мюон. Бруно, как мы видели, в 1949 г. предположил, что вообще взаимодействия электрона и мюона полностью одинаковы. Эта идея об универсальности слабого взаимодействия в настоящее время стала краеугольным понятием Стандартной модели. Открытие того, что у электрона есть свое нейтрино, а у мюона – свое, подталкивало к тому, что эти частицы можно объединять в некие группы. В настоящее время открыт и третий лептон – тау-лептон с массой 1776 МэВ. Причем у него тоже есть свое нейтрино и доказано, что сила его взаимодействия также подчиняется принципу универсальности слабого взаимодействия.

Три пары лептон + нейтрино вместе с соответствующими парами кварков образовали три группы, называемые поколениями. Первое поколение объединяет легкие u- и d-кварки с электроном и его нейтрино. Наше обычное вещество состоит именно из частиц первого поколения.

Второе поколение объединяет странный s-кварк, очарованный с-кварк с мюоном и его нейтрино. Наконец, в третье поколение входят тяжелые кварки b-(beaty) и t-(top) вместе с тау-лептоном и тау-нейтрино.

Таблица 32.1. Лептонные числа.

С провидческой догадки Бруно о похожести свойств электрона и мюона началось понимание того факта, что элементарные частицы в нашей Вселенной сгруппированы в поколения. Ф. Клоуз назвал одну из своих научно-популярных книг «Космическая луковица», подчеркивая, что у нас есть «слои», структуры из похожих по свойствам элементов, которые отличаются по массам. Как бы три массовых уровня элементарных частиц. Массы элементарных частиц разных поколений показаны на Рис. 32-2.

Первое, что хочется спросить, глядя на Рис. 32-2, – почему есть такое сильное различие в массах элементарных частиц? В цифрах это различие выглядит еще более впечатлительно. Массы нейтрино точно неизвестны, но они меньше 1 эВ. Масса топ-кварка – 173 ГэВ или 1,73 х1011 эВ, то есть на одиннадцать порядков больше. Почему? Объясняет ли современная физика такой гигантский разброс в спектре масс? Честный ответ – нет.

Почему в нашей Вселенной возникли частицы именно с таким набором масс – тоже никто не знает. Но самое удивительное, что сами значения масс частиц нельзя изменить без кардинального изменения свойств окружающего нас мира. Самый простой пример – нейтрон. Можно ли уменьшить/увеличить его массу, если не на одиннадцать порядков, то хотя бы в два раза? Оказывается, все рухнет, даже если массу нейтрона уменьшить всего лишь на одну десятую процента. Тогда атом водорода – система из протона и электрона – сможет переходить в «облегченный» нейтрон и нейтрино. В такой Вселенной весь водород моментально перешел бы в нейтроны, никаких тяжелых элементов типа углерода или железа не смогло бы образоваться и ни о какой разумной жизни не могло быть и речи.

Рис. 32-2. Массы элементарных частиц, высота столбика отражает величину массы частицы.

Очень интересно спросить также, почему у нас есть именно три, а не четыре или два поколения? Четвертое поколение искали и на нашем уровне энергий не обнаружили. Вселенная с двумя поколениями элементарных частиц, судя по всему, была бы нежизнеспособной в прямом смысле этого слова: в ней жизнь не смогла бы зародиться. Дело в том, что у каждой частицы есть античастица. Однако в нашей Вселенной доминирует вещество, антивещества в макроскопических количествах – в виде галактик, планет или даже метеоритов – не обнаружено. Есть механизм, который может создавать небольшой перекос частиц в истинно симметричной смеси из частиц и античастиц. Впервые этот механизм был предложен А. Д. Сахаровым. Но во Вселенной из двух поколений он не действует. Он работает, если число поколений больше или равно трем.

Так что в нашем, самом лучшем из миров, пока обнаружено три и только три поколения элементарных частиц.

33. Прямое наблюдение мюонного нейтрино

Давняя мечта Бруно – зарегистрировать взаимодействие нейтрино – трансформировалась в очень красивый опыт по захвату мюона.

Реакция выглядела так:

µ— + 3Не → 3Н + νµ (17)

Здесь нейтрино не поглощалось, а испускалось. Но в отличие от бета-распада (2) в конечном состоянии были всего две частицы – тритий и нейтрино. Поскольку мюон захватывался в гелии-3 из покоя, то энергия начального состояния была фиксирована и нейтрино обязано было лететь в противоположном направлении