Подобные рассуждения, однако, неприменимы для объяснения стабильности электрона. Электрон имеет хоть и ничтожную, но все же конечную массу покоя. Но если тенденция превращения массы в энергию универсальна, почему она щадит электрон? Почему он не распадается на один или несколько фотонов с нулевой массой покоя, энергия которых эквивалентна массе электрона?
— Да они и так настоящее воронье. Вот послушайте…
Сара поспешила вмешаться:
Оказывается, этому процессу препятствует закон сохранения электрического заряда. Фотон не несет электрического заряда, и если бы электрон распался на фотоны, что стало бы с его отрицательным зарядом? Насколько физикам известно, не существует частицы с отрицательным зарядом легче электрона. Поэтому электрон не распадается.
— Право же, папа…
А протон? Является ли он самой легкой частицей с положительным зарядом? Ответ оказался отрицательными физикам пришлось искать другое объяснение его стабильности.
Но Мэтью продолжал свою триаду, не обратив на дочь ни малейшего внимания:
Позитроны
— Я ведь помню, как устанавливали Мультивак. Он положит конец борьбе партий, говорили тогда. Предвыборные кампании больше не будут пожирать деньги избирателей. Ни одно ухмыляющееся ничтожество не пролезет больше в конгресс или в Белый дом, так как с политическим давлением и рекламной шумихой будет покончено. А что получилось? Шумихи еще больше, только действуют вслепую. Посылают людей в Индиану из-за закона Хоукинса-Смита, а других — в Калифорнию, на случай если положение с Джо Хэммером окажется более важным. А я говорю — долой всю эту чепуху! Назад к доброму старому…
Первый намек на существование положительно заряженной частицы легче протона был сделан в 1930 году, когда Поль Дирак сумел математически описать некоторые свойства электрона. Он пришел к заключению, что если его математические расчеты верны, электрон должен существовать в двух разных формах. Одна из них — обычный, хорошо известный электрон, который к к тому времени исследовали уже в течение более тридцати лет. Другая форма была очень похожа на обычный электрон, но вместо отрицательного заряда он имел положительный.
Линда неожиданно перебила его:
— Разве ты не хочешь, дедушка, чтобы папа голосовал в этом году?
Спустя два года, в 1932 году, американский физик Карл Дэвид Андерсон, изучая космические лучи больших энергий, бомбардирующие Землю, в своем детекторе частиц обнаружил нечто, что вело себя точно так же, как электрон, но под действием магнитного поля отклонялось в противоположную сторону. Значит, эта частица вместо отрицательного заряда несла положительный. Так был открыт положительно заряженный электрон Дирака.
Мэтью сердито поглядел на внучку.
— Не в этом дело. — Он снова повернулся к Норману и Саре. — Было время, когда я голосовал. Входил прямо в кабину, брался за рычаг и голосовал. Ничего особенного. Я просто говорил: этот кандидат мне по душе, и я голосую за него. Вот как нужно!
Андерсон назвал эту положительно заряженную частицу позитроном. Хотя этот термин используется чаще всего для названия открытой частицы, он неудачен, так как маскирует близкое родство с электроном. Иногда электрон и позитрон называют отрицательным электроном и положительным электроном. Такое наименование отражено в современных обозначениях этих частиц: e
- и е
+. Чтобы сохранить за электроном его имя, позитрон иногда называют антиэлектроном, где приставка «анти» означает «противоположный». По многим причинам антиэлектрон — наилучшее название, так как другие частицы тоже имеют свои противоположности, для которых используют приставку «анти». Все эти противоположные частицы объединены в группу античастиц.
Линда спросила с восторгом:
В настоящее время принято обозначать античастицы символом частицы с горизонтальной линией над ним Так, позитрон можно обозначить \'e
+, что указывает на то, что он не просто положительно заряженный электрон, а античастица (в fb2 версии горизонтальная линия заменена на на штрих перед символом из-за ограничений шрифтов — прим. верстальщика).
— Ты голосовал, дедушка? Ты и вправду голосовал?
Вскоре после открытия Андерсона было обнаружено, что позитрон образуется некоторыми радиоактивными атомными ядрами, — конечно, не теми, которые существуют в природе, а специально полученными в лаборатории.
Сара поспешила прекратить этот диалог, из которого легко могла родиться нелепая сплетня:
В 1934 году французские ученые супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, бомбардируя α-частицами атомы алюминия, получили фосфор-30, который спонтанно, т. е. самопроизвольно, излучал позитроны (в виде положительных β-частиц) и превращался в кремний-30. Атомный номер фосфора — 15, кремния—14, следовательно, радиоактивный распад можно записать:
— Ты не поняла, Линда. Дедушка вовсе не хочет сказать, будто он голосовал, как сейчас. Когда дедушка был маленький, все голосовали, и твой дедушка тоже, только это было не настоящее голосование.
Мэтью взревел:
P
+15 → Si
+14 + \'e
+.
— Вовсе я тогда был не маленький! Мне уже исполнилось двадцать два года, и я голосовал за Лэнгли, и голосовал по-настоящему. Может, мой голос не очень-то много значил, но был не хуже всех прочих. Да, всех прочих. И никакие Мультиваки не…
Электрический заряд снова сохраняется, так как 14 + 1 = 15.
Тут вмешался Норман:
Какие же процессы внутри ядра приводят к излучению позитрона? Массовые числа кремния-30 и фосфора-30 одинаковы, так что общее число нуклонов до быть в обоих случаях одним и тем же. С другой стороны, атомный номер ядра кремния-30 на единицу меньше, чем фосфора-30, следовательно, ядро кремния-30 содержит на один протон меньше, чем ядро фосфора-30. Чтобы уменьшить число протонов на единицу, не изменяя общего числа нуклонов, надо одновременно добавить один нейтрон. Другими словами, позитрон излучается тогда, когда внутри ядра протон превращается в нейтрон. При этом атомный номер уменьшается на единицу а массовое число остается неизменным. Процесс прямо противоположен тому, который приводит к излучению электрона, когда нейтрон превращается в протон. Но этого и следовало ожидать, так как позитрон является как бы зеркальным отображением электрона и все происходящее с ним является отображением событий, происходящих с электроном.
— Хорошо, хорошо, Линда, пора спать. И перестань расспрашивать о голосовании. Вырастешь, сама все поймешь.
С другой стороны, протон легче нейтрона, поэтому неудивительно, что именно нейтрон спонтанно превращается в протон, так как спонтанные превращения всегда сопровождаются уменьшением массы. Но как же тогда протон спонтанно превращается в нейтрон и испускает позитрон?
Он поцеловал ее нежно, по всем правилам антисептики, и девочка неохотно ушла, после того как мать пригрозила ей наказанием и позволила смотреть вечернюю видеопрограмму до четверти десятого с условием, что она умоется быстро и хорошо.
Действительно, протон легче нейтрона, если речь идет о свободных частицах. Внутри ядра, однако, происходят изменения энергии, которые слегка меняют массу отдельных нуклонов. Иногда масса ядра уменьшается, если протон превращается в нейтрон, а иногда, если нейтрон заменяется протоном, изменение массы всецело зависит от строения ядра. В первом случае излучаются позитроны, а во втором — электроны, Конечно, имеются ядра, обладающие при данном числе нуклонов комбинацией нейтронов и протонов, при которой масса минимальна. Тогда превращение протона нейтрон или нейтрона в протон увеличивает массу. Такие ядра не претерпевают никаких спонтанных превращений, они стабильны, если это не тяжелые ядра, которые излучают α-частицы.
— Дедушка, — позвала Линда.
Еще раз напомним, что свободные нейтроны могут спонтанно превратиться в протоны, обратное же превращение невозможно.
Она стояла, упрямо опустив голову и заложив руки за спину, и ждала, пока газета не опустилась и из-за нее не показались косматые брови и глаза в сетке тонких морщин. Была пятница, тридцать первое октября.
— Ну?
Линда подошла поближе и оперлась локтями о колено деда, так что он вынужден был отложить газету.
— Дедушка, ты правда голосовал? — спросила она.
— Ты ведь слышала, как я это сказал, так? Или, по-твоему, я вру? — последовал ответ.
— Н-нет, но мама говорит, тогда все голосовали.
— Правильно.
— А как же это? Как же могли голосовать все?
Мэтью мрачно посмотрел на внучку, потом поднял ее, посадил к себе на колени и даже заговорил несколько тише, чем обычно:
— Понимаешь, Линда, раньше все голосовали, и это кончилось только лет сорок назад. Скажем, хотели мы решить, кто будет новым президентом Соединенных Штатов. Демократы и республиканцы выдвигали своих кандидатов, и каждый человек говорил, кого он хочет выбрать президентом. Когда выборы заканчивались, подсчитывали, сколько народа хочет, чтобы президент был от демократов, и сколько — от республиканцев. За кого подали больше голосов, тот и считался избранным. Поняла?
Линда кивнула и спросила:
— А откуда все знали, за кого голосовать? Им Мультивак говорил?
Мэтью свирепо сдвинул брови.
— Они решали это сами!
Линда отодвинулась от него, и он опять понизил голос:
— Я не сержусь на тебя, Линда. Ты понимаешь, порою нужна была целая ночь, чтобы подсчитать голоса, а люди не хотели ждать. И тогда изобрели специальные машины — они смотрели на первые несколько бюллетеней и сравнивали их с бюллетенями из тех же мест за прошлые годы. Так машина могла подсчитать, какой будет общий итог и кого выберут. Понятно?
Она кивнула:
— Как Мультивак.
— Первые вычислительные машины были намного меньше Мультивака. Но они становились все больше и больше и могли определить, как пройдут выборы, по все меньшему и меньшему числу голосов. А потом в конце концов построили Мультивак, который способен абсолютно все решить по одному голосу.
Линда улыбнулась, потому что это ей было понятно, и сказала:
— Вот и хорошо.
Мэтью нахмурился и возразил:
— Ничего хорошего. Я не желаю, чтобы какая-то машина мне говорила, за кого я должен голосовать, потому, дескать, что какой-то зубоскал в Милуоки высказался против повышения тарифов. Может, я хочу проголосовать не за того, за кого надо, коли мне так нравится, может, я вообще не хочу голосовать. Может…
Но Линда уже сползла с его колен и побежала к двери.
На пороге она столкнулась с матерью. Сара, не сняв ни пальто, ни шляпу, проговорила, еле переводя дыхание:
— Беги играть, Линда. Не путайся у мамы под ногами.
Потом, сняв шляпу и приглаживая рукой волосы, она обратилась к Мэтью:
— Я была у Агаты.
Мэтью окинул ее сердитым взглядом и, не удостоив это сообщение даже обычным хмыканьем, потянулся за газетой.
Позитрон, как и электрон, — стабильная частица. Насколько нам известно, сам по себе он никогда не изменяется, так как позитрон — самая легкая частица, несущая положительный электрический заряд. Стабильность ее является выражением закона сохранения электрического заряда. Однако позитрон существует во Вселенной, состоящей из бесчисленного множества других частиц, в том числе электронов. В обычных условиях позитрон сталкивается с электроном через одну миллионную секунды, а когда частица встречает свою античастицу, обе перестают существовать.
Сара добавила, расстегивая пальто:
— И знаешь, что она мне сказала?
Нечто подобное происходит в том случае, когда деревянная пробка вставляется в отверстие в деревянной поверхности, к которому она точно подогнана, — в «антипробку». Пробка и «антипробка» исчезают, а вместо них появляется гладкая деревянная поверхность, При слиянии позитрона и электрона выполняются различные законы сохранения. Если частицы, двигаясь с одинаковыми скоростями навстречу друг другу, сталкиваются «в лоб», два импульса, складываясь, дают нуль. Если электрон имеет спин -1/2, а позитрон +1/2, суммарный спин системы тоже нуль. Электрон имеет заряд -1, а позитрон +1, следовательно, общий электрический заряд двух частиц равен нулю. Кажется, что происходит полная аннигиляция (уничтожение).
Мэтью с треском расправил газету, собираясь вновь погрузиться в чтение, и ответил:
— Не интересуюсь.
А что происходит с энергией, которая не существует в положительной или отрицательной форме и которая, следовательно, в сумме никогда не равна нулю? После аннигиляции электрона и позитрона энергия, связанная с их массой и движением, должна продолжать существовать в той или иной форме. Оказывается, обе частицы превращаются в фотоны. Энергия, эквивалентная массе электрона, равна 0,51 Мэв. Но позитрон имеет такую же массу, поэтому энергия, эквивалентная общей массе, равна 1,02 Мэв. Следовательно, каждый раз, когда пара позитрон — электрон аннигилирует, должна освобождаться энергия 1,02 Мэв. Экспериментальная проверка энергетического баланса при аннигиляции явилась превосходным подтверждением справедливости закона сохранения энергии для процессов, происходящих в субатомном мире.
Сара начала было: «Все-таки, отец…», — но сердиться было некогда. Новость жгла ей язык, а слушателя под рукой, кроме Мэтью, не оказалось, и она продолжала:
— Ведь Джо, муж Агаты, — полицейский, и он говорит, что вчера вечером в Блумингтон прикатил целый грузовик с агентами секретной службы.
Какие же фотоны возникают при аннигиляции пары электрон — позитрон? Фотоны не имеют заряда, но они должны иметь импульс и момент количества движения. Если бы возникал один фотон, должны были бы возникнуть импульс и момент количества движения, а это невозможно в силу закона сохранения. В действительности возникают два разлетающихся в противоположных направлениях фотона, каждый из которых уносит энергию 0,51 Мэв, поэтому их суммарный импульс равен нулю. Один фотон имеет спин +1, другой -1, так что суммарный момент количества движения тоже равен нулю.
— Это не за мной.
— Как ты не понимаешь, отец! Агенты секретной службы, а выборы совсем на носу. В Блумингтон!
Если суммарный импульс или момент количества движения электрона и позитрона до аннигиляции отличны от нуля, они сохранятся и после аннигиляции. Предположим, каждая из частиц имеет спин +1/2, следовательно, суммарный спин равен +1. Если бы система обладала импульсом, то мог бы возникнуть один фотон со спином +1. Когда же суммарный импульс системы равен нулю, закон сохранения импульса и момента количества движения будет выполнен, если возникнут три фотона энергией 0,34 Мэв каждый, разлетающихся по направлению трех вершин равностороннего треугольника. При этом суммарный импульс трех фотонов равен нулю, а суммарный спин +1, если спины фотонов равны +1, +1, -1 соответственно.
— Может, кто-нибудь ограбил банк.
Превращение электрон-позитронной пары в фотоны γ-излучения можно записать следующим образом:
— Да у нас в городе уже сто лет никто банков не грабит. Отец, с тобой бесполезно разговаривать.
e
- + \'e
+ → γ + γ + γ.
И она сердито вышла из комнаты.
И Норман Маллер не слишком взволновался, узнав эти новости.
Существует обратный процесс — превращение энергии в массу. Фотон γ-лучей с энергией 1,02 Мэв при определенных условиях превращается в электрон-позитронную пару. Для фотона с меньшей энергией этот процесс невозможен, а более энергичный фотон отдает излишки своей энергии разлетающимся частицам. Фотон γ-лучей никогда не превращается только в электрон или только в позитрон. При таком превращении закон сохранения заряда был бы нарушен. Короче говоря, независимо от того, как происходит электрон-позитронная аннигиляция, должны сохраняться четыре основные величины: импульс, момент количества движения, электрический заряд и энергия.
— Скажи, пожалуйста, Сара, откуда Джо знает, что это агенты секретной службы? — спросил он невозмутимо. — Вряд ли они расхаживают по городу, приклеив удостоверения на лоб.
Антинуклоны
Однако на следующий вечер, первого ноября, Сара торжествующе заявила:
— Все до одного в Блумингтоне считают, что избирателем будет кто-то из местных. «Блумингтон ньюс» почти прямо сообщила об этом по видео.
Теорию Дирака, предсказавшую существование положительно заряженного электрона, применили к протону. Было высказано предположение, что должен существовать отрицательно заряженный протон — антипротон. После открытия позитрона физики были убеждены, что антипротон существует и его можно получить в лаборатории. Трудность заключалась в том, что протон в 1836 раз тяжелее электрона и, если для создания пары электрон — позитрон требуется энергия 1,02 Мэв, для создания протона и антипротона потребовалось бы минимум 1872 Мэв. Только после 1950 года физики получили устройство, которое позволяло концентрировать такую энергию в малом объеме.
Норман поежился. Жена говорила правду, и сердце у него упало. Если Мультивак и в самом деле обрушит свою молнию на Блумингтон, это означает несметные толпы репортеров, туристов, особые видеопрограммы — всякую непривычную суету.
Норман дорожил тихой и спокойной жизнью, и его пугал все нарастающий гул политических событий.
В 1956 году итальянский физик Эмилио Сегре, работающий в США, и его американский коллега Оуэн Чемберлен закончили работу, в результате которой убедительно доказали существование антипротона. Когда протон и антипротон встречаются, они аннигилируют подобно электрон-позитронной паре. Только в случае аннигиляции протон-антипротонной пары выделяется гораздо большая энергия. Если обозначить антипротон \'р
-, то процесс аннигиляции можно записать следующем виде:
Он заметил:
p
+ + \'p
- → γ + γ
— Все это пока только слухи.
В 1965 году была получена обратная реакция, когда γ-излучение большой энергии было превращено в протон-антипротонные пары.
— А ты подожди, подожди немножко.
Ждать пришлось недолго. Раздался настойчивый звонок, и, когда Норман открыл дверь со словами: «Что вам угодно?», высокий человек с хмурым лицом спросил его:
Правда, при взаимодействии протона и антипротона наблюдали новое явление. Почти сразу же после открытия антипротона было обнаружено, что иногда, если протон и антипротон сталкиваются, едва касаясь друг друга, электрический заряд обоих исчезает, но массы не уничтожаются. Вместо двух заряженных тяжелых частиц образуются две тяжелые незаряженные частицы: вместо протона возникает нейтрон, а вместо антипротона — антинейтрон. Если последний обозначить символом \'п, можно записать:
— Вы Норман Маллер?
Норман растерянным, замирающим голосом ответил:
p
+ + \'p
- → n + \'п.
— Да.
Антинейтрон и антипротон называют антинуклонами. Нуклоны и антинуклоны принадлежат к барионам (как позитроны к лептонам).
По тому, как себя держал незнакомец, можно было легко догадаться, что он лицо, облеченное властью, а цель его прихода вдруг стала настолько же очевидной, неизбежной, насколько за мгновение до того она казалась невероятной, немыслимой.
Но что же такое антинейтрон? Позитрон отличается от электрона зарядом, и антипротон отличается от протона зарядом. Антинейтрон, как и нейтрон, не заряжен. Чем же они тогда отличаются?
Незнакомец предъявил свое удостоверение, вошел, закрыл за собой дверь и произнес ритуальные слова:
Ответ, очевидно, надо искать в природе спина. Предположим, что субатомная частица — крошечная сфера, вращающаяся вокруг своей оси и обладающая двумя полюсами. Если посмотреть на частицу со стороны одного из полюсов, будет казаться, что она вращается против часовой стрелки, а со стороны другого полюса — по часовой стрелке. Назовем полюс, с которого кажется, что частица вращается против часовой стрелки, северным. (Подобно этому вращение Земли с запада на восток происходит против часовой стрелки, если смотреть на Землю со стороны северного полюса.) При вращении заряженная частица создает магнитное поле, в котором есть и северный, и южный магнитные полюса. В протоне северный магнитный полюс совпадает с северным полюсом, а в антипротоне северный магнитный полюс совпадает с южным. Другими словами, магнитное поле антипротона противоположно магнитному полю протона (рис. 5). Магнитные и электрические свойства частицы противоположны соответствующим свойствам античастицы.
— Мистер Норман Маллер, от имени президента Соединенных Штатов я уполномочен сообщить вам, что на вас пал выбор представлять американских избирателей во вторник, четвертого ноября 2008 года.
Норман Маллер с трудом сумел добраться без посторонней помощи до стула. Так он и сидел — бледный как полотно, еле сознавая, что происходит, а Сара поила его водой, в смятении растирала руки и бормотала сквозь стиснутые зубы:
— Не заболей, Норман. Только не заболей. А то найдут кого-нибудь еще.
Рис. 5. Магнитные полюса протона и антипротона.
Когда к Норману вернулся дар речи, он прошептал:
Хотя нейтрон не имеет электрического заряда, тем не менее он имеет связанное с ним магнитное поле. Причина этого не совсем ясна, но физики подозревают, что протон состоит из областей с положительным и отрицательным зарядом, расположенных несимметрично, что приводит к появлению магнитного поля. Магнитное поле нейтрона ориентировано в одном направлении, а антинейтрона — в другом. Именно в этом и заключается их различие.
— Прощу прощения, сэр.
Масса антинейтрона равна массе нейтрона, а масса антипротона — массе протона. Это означает, что антинейтрон несколько тяжелее антипротона и, следовательно, может в него превратиться. При распаде антинейтрона с нулевым зарядом в антипротон с зарядом -1 возникает отрицательный заряд. Согласно закону сохранения электрического заряда, при таком превращении одновременно должен возникнуть и положительный заряд. Положительный заряд появляется в виде позитрона:
Агент секретной службы уже снял пальто и, расстегнув пиджак, непринужденно расположился на диване.
\'п → \'p- + \'e+.
— Ничего, — сказал он. (Он оставил официальный тон, как только покончил с формальностями, и теперь это был просто рослый и весьма доброжелательный человек.) Я уже шестой раз делаю это объявление — видел всякого рода реакции. Но только не ту, которую показывают по видео. Ну, вы и сами знаете: человек самоотверженно, с энтузиазмом восклицает: «Служить своей родине — великая честь!» Или что-то в таком же духе и не менее патетически. — Агент добродушно и дружелюбно засмеялся.
Сара вторила ему, но в ее смехе слышались истерически-визгливые нотки.
Распад антинейтрона аналогичен во всех отношениях распаду нейтрона (за исключением обратных зарядов). Даже период полураспада в обоих случаях одинаков. Процесса, обратного антинейтронному распаду, нет. Антипротон сам по себе стабилен, так же как протон, и, насколько мы знаем, остается неизменным.
Агент продолжал:
Сохранение барионного числа
— А теперь придется вам некоторое время потерпеть меня в доме. Меня зовут Фил Хэндли. Называйте меня просто Фил. До Дня Выборов мистеру Маллеру нельзя будет выходить из дому. Вам придется сообщить в магазин, миссис Маллер, что он заболел. Сами вы можете пока что заниматься обычными делами, но никому ни о чем ни слова. Я надеюсь, вы меня поняли и мы договорились, миссис Маллер?
До сих пор мы не ответили на вопрос: почему протон стабилен? Теперь мы можем к этому вопросу добавить другой: почему стабилен антипротон? Совершенно неуместно говорить о том, что протон имеет наименьшую массу, с которой связан положительный заряд. Такое искушение могло у нас возникнуть, пока мы не ввели античастицы. Ведь протон мог бы распасться на позитрон и фотоны γ-лучей. При этом электрический заряд сохранился бы, а все другие законы сохранения удовлетворились бы автоматически. Подобным образом антипротон мог бы распасться на электрон и γ-квант.
Сара энергично закивала.
— Да, сэр. Ни слова.
Если какой-нибудь распад не нарушает ни одного из законов сохранения в субатомном мире, он должен иметь место. Распад может быть очень редким явлением, но он обязательно должен происходить. Если, с другой стороны, какой-то субатомный процесс упорно не желает протекать, значит, он нарушает какой-нибудь закон сохранения.
— Прекрасно. Но, миссис Маллер, — лицо Хэндли стало очень серьезным, — это не шутки. Выходите из дому только в случае необходимости, и за вами будут следить. Мне очень неприятно, но так у нас положено.
Протон никогда не распадается на позитрон. Этот процесс не нарушает ни один из известных нам законов сохранения, следовательно, ему препятствует какой-то новый закон. Превращение протона в позитрон не нарушает закона сохранения электрического заряда, так как оба несут положительный заряд, равный единице. А свойства позитрона и фотонов, образующихся из протона, легко подобрать таким образом, чтобы не нарушались законы сохранения импульса, момента количества движения и энергии.
— Следить?
Итак, физикам пришлось сделать вывод о том, что существует пятый, прежде неизвестный закон сохранения. Когда они еще раз внимательно стали изучать все субатомные процессы, которые они знали, им начало казаться, что барионы вообще никогда не исчезают. Всякий раз, когда исчезал барион одного вида, мгновенно возникал барион другого вида. Конечно, когда барион встречается с антибарионом (например, когда протон встречает антипротон), обе частицы могут исчезнуть, не оставив взамен никакого другого бариона.
— Никто этого не заметит. Не волнуйтесь. К тому же это всего на два дня, до официального объявления. Ваша дочь…
Чтобы разобраться в таком странном поведении барионов, всем субатомным частицам физики приписали определенные барионные числа. Протон и нейтрон получили барионные числа +1 каждый, а антипротон и антинейтрон -1 каждый. Всем лептонам (электрону, позитрону и фотону) приписали нулевые барионные числа. Итак был сформулирован новый закон: суммарное барионное число замкнутой системы постоянно. (Все законы сохранения, рассмотренные нами, были открыты при исследовании явлений обычной повседневной жизни а затем применены к атому. Теперь мы в первый, но не в последний раз встретились с законом сохранения, возникшим непосредственно при изучении явлений, происходящих в субатомном мире.)
— Она уже легла, — поспешно вставила Сара.
Рассмотрим несколько примеров. При радиоактивных превращениях ядро урана-238 распадается на ядро тория-234 и α-частицу (гелий-4). Ядро урана-238 содержит в общей сложности 238 протонов и нейтронов, следовательно, его барионное число 238. Аналогично барионное число тория-234 равно 234, а α-частицы — 4. Поскольку сумма барионных чисел тория-234 и α-частицы равна 238, барионное число в этом процессе сохраняется. Далее, ядро тория-234 излучает β-частицу (т. е. электрон с нулевым барионным числом) и превращается в ядро протактиния-234. Следовательно, барионное число снова сохраняется. В действительности оно сохраняется во всех известных радиоактивных превращениях. А что происходит с барионным числом элементарных частиц? Если нейтрон распадается на протон и электрон, барионное число сохраняется, так как сумма барионных чисел протона и электрона равна единице. Точно так же сохраняется барионное число и при распаде антинейтрона на антипротон и позитрон.
— Прекрасно. Ей нужно будет сказать, что я ваш родственник или знакомый и приехал к вам погостить. Если же она узнает правду, придется не выпускать ее из дому. А вашему отцу не следует выходить в любом случае.
Если протон и антипротон, взаимодействуя, превращаются в нейтрон и антинейтрон, суммарные барионные числа до и после реакции равны. Если взаимодействуют протон и антипротон, образуя два γ-кванта (или любое число их), закон сохранения барионного числа снова выполняется, так как +1–1 = 0 + 0.
— Он рассердится, — сказала Сара.
Во всех известных до сих пор атомных и субатомных процессах барионное число сохраняется. Физики ни разу не сталкивались с нарушением закона сохранения барионного числа. Теперь становится понятно, почему протон не превращается спонтанно в позитрон, а антипротон — в электрон. В первом случае барионное число +1 стало бы нулем, а во втором — в нуль превратилось бы барионное число -1. Ни одно из этих превращений невозможно без нарушения закона сохранения барионного числа.
— Ничего не поделаешь. Итак, значит, со всеми членами вашей семьи мы разобрались и теперь…
В самом деле, насколько мы знаем, протон и антипротон — наименее тяжелые из известных барионов. Именно поэтому они стабильны. Любое спонтанное превращение означало бы появление менее тяжелых частиц. Но любая более легкая частица — не барион, и, следовательно, за кон сохранения барионного числа был бы нарушен.
— Похоже, вы знаете про нас все, — еле слышно сказал Норман.
По закону сохранения электрического заряда, казалось бы, ни один электрон не возникает без одновременного рождения позитрона. Согласно тому же закону и закону сохранения барионного числа, ни один протон не возникает без одновременного рождения антипротона. В окружающей нас Вселенной электронов и протонов сколько угодно, а позитроны и антипротоны исключительно редки. Почему?
— Немало, — согласился Хэндли. — Как бы то ни было, пока у меня для вас инструкций больше нет. Я постараюсь быть полезным чем могу и не слишком надоедать вам. Правительство оплачивает расходы по моему содержанию, так что у вас не будет лишних затрат. Каждый вечер меня будет сменять другой агент, который будет дежурить в этой комнате. Значит, лишняя постель не нужна. И вот что, мистер Маллер…
— Да, сэр?
Убедительного ответа на этот вопрос еще нет. Одна гипотеза предполагает, что, когда возникла наша Вселенная, частиц и античастиц было равное количество, но они были как-то разделены. Возможно, кроме нашего мира существует также антимир. Все вещества нашего мира состоят из атомов с ядрами из протонов и нейтронов и с электронами во внешних областях атома. В антимире антиматерия должна состоять из атомов с ядрами из антипротонов и антинейтронов и с позитронами вместо электронов во внешних областях атома. В антимире обычное вещество встречалось бы исключительно редко. (До недавнего времени антивещество оставалось просто теоретической концепцией. Однако в 1965 году физики Брукхейвенской национальной лаборатории получили очень недолговечные ядра из антипротона и антинейтрона. Известно, что ядро водорода-2 состоит из протона и нейтрона. Водород-2 часто называют дейтерием, поэтому систему протон + нейтрон назвали дейтроном, а систему антипротон + антинейтрон — антидейтроном. Антидейтрон — простейший вид антиматерии, который представляет собой более сложное образование по сравнению с элементарной частицей. Без сомнения, придет время, когда более сложные формы антивещества будут созданы в лаборатории.
— Зовите меня просто Фил, — повторил агент. — Эти два дня до официального сообщения вам дают для того, чтобы вы успели привыкнуть к своей роли и предстали перед Мультиваком в нормальном душевном состоянии. Не волнуйтесь и постарайтесь себя убедить, что ничего особенного не случилось. Хорошо?
— Хорошо, — сказал Норман и вдруг яростно замотал головой. — Но я не хочу брать на себя такую ответственность. Почему непременно я?
Не исключена возможность, что в нашей Вселенной присутствуют одновременно и вещество и антивещество, но находятся они в разных галактиках. Трудно определить, видим ли мы в телескопы галактики или антигалактики. На первый взгляд кажется, что галактику от антигалактики можно отличить по излучаемому свету. Если обычное вещество излучает фотоны, антивещество должно излучать «антифотоны». Нельзя ли их различить? К несчастью, нет! Если существуют антифотоны, аннигиляция частиц и античастиц привела бы к образованию одинакового числа фотонов и антифотонов. Однако образуются только фотоны, поэтому физики сделали вывод, что фотон является собственной античастицей, т. е. излучение вещества и антивещества должно быть совершенно одинаково, и по нему нельзя различить две галактики. (Однако позднее мы убедимся, что не все еще потеряно.) Если бы и материя и антиматерия сосуществовали в нашей Вселенной, они могли бы случайно встретиться в значительных количествах. Если бы это произошло, при аннигиляции выделилось бы колоссальное количество энергии, гораздо больше, чем при ядерных реакциях внутри таких звезд, как наше Солнце.
— Ладно, — сказал Хэндли. — Давайте сразу во всем разберемся. Мультивак обрабатывает самые различные факторы, миллиарды факторов. Один фактор, однако, неизвестен и будет неизвестен еще долго. Это умонастроение личности. Все американцы подвергаются воздействию слов и поступков других американцев. Мультивак может оценить настроение любого американца. И это дает возможность проанализировать настроение всех граждан страны. В зависимости от событий года одни американцы больше подходят для этой цели, другие меньше. Мультивак выбрал вас как самого типичного представителя страны для этого года. Не как самого умного, сильного или удачливого, а просто как самого типичного. А выводы Мультивака сомнению не подлежат, не так ли?
— А разве он не может ошибиться? — спросил Норман.
Сара нетерпеливо прервала мужа:
В действительности существуют галактики и другие космические объекты, которые излучают необычно большие потоки энергии в виде света или радиоволн, или того и другого вместе. Сейчас астрономы заняты попытками определить источник этой энергии. Аннигиляция вещества и антивещества — возможный, но не единственный ее источник.
— Не слушайте его, сэр. Он просто нервничает. Вообще-то он человек начитанный и всегда следит за политикой.
Хэндли сказал:
Глава 7. Появление нейтрино
— Решения принимает Мультивак, миссис Маллер. Он выбрал вашего мужа.
Энергия α-частицы
— Но разве ему все известно? — упрямо настаивал Норман. — Разве он не может ошибиться?
Законы сохранения строго выполнялись во всех случаях, описанных в предыдущих главах. Когда один из законов оказывался несовершенным, приходилось интерпретировать его по-другому. Так, старый закон сохранения массы был расширен и превращен в более общий закон сохранения энергии. С другой стороны, когда ожидаемые события в действительности не происходили, придумали новый закон сохранения (как было в случае закона сохранения барионного числа). Однако не всегда легко доказать, что законы сохранения выполняются точно. Особенно загадочная ситуация возникла на заре развития ядерной физики при изучении кинетической энергии частиц, испускаемых радиоактивными веществами.
— Может. Я буду с вами вполне откровенным. В 1993 году избиратель скончался от удара за два часа до того, как его должны были предупредить о назначении. Мультивак этого не предсказал — не мог предсказать. У избирателя может быть неустойчивая психика, невысокие моральные правила, или, если уж на то пошло, он может быть вообще нелояльным. Мультивак не в состоянии знать все о каждом человеке, пока он не получил о нем всех сведений, какие только имеются. Поэтому всегда наготове запасные кандидатуры. Но вряд ли на этот раз они нам понадобятся. Вы вполне здоровы, мистер Маллер, и вы прошли тщательную заочную проверку. Вы подходите.
Норман закрыл лицо руками и замер в неподвижности.
Энергию α-частицы можно определить, измеряя массы исходного радиоактивного ядра, α-частицы и конечного ядра. Суммарная масса α-частицы и конечного ядра должна быть немного меньше массы исходного ядра, а энергетический эквивалент недостающей массы равняться кинетической энергии α-частицы. Измерять с высокой точностью массы различных ядер и других частиц физики смогли только в 20-х годах нашего столетия. Тем не менее, некоторые важные выводы относительно энергий частиц они сделали, не зная точного значения масс.
— Завтра к утру, сэр, — сказала Сара, — он придет в себя. Ему только надо свыкнуться с этой мыслью, вот и все.
Рассмотрим торий-232, который распадается на α-частицу (гелий-4) и радий-228. Все ядра тория-232 имеют одинаковые массы. Массы всех ядер радия-228 также имеют одинаковую величину, как и массы всех α-частиц. Не зная величину этих масс, все же можно сказать, что каждый раз, когда атом тория-232 испускает α-частицу, дефицит массы должен быть одинаков, а следовательно, должна быть одинакова и кинетическая энергия α-частиц. Другими словами, торий-232 должен испускать α-частицы с одной и той же энергией.
— Разумеется, — согласился Хэндли.
Как же определить кинетическую энергию α-частиц? Известно, что чем больше энергия α-частицы, тем глубже она проникает в вещество. α-Частицы тормозятся очень тонким слоем твердого вещества, но могут пройти сквозь слой воздуха толщиной в несколько сантиметров. При этом α-частицы непрерывно передают энергию молекулам воздуха, с которыми они сталкиваются, постепенно замедляются и, захватывая электроны, становятся в конце концов обычными атомами гелия. В таком состоянии их уже нельзя обнаружить методами, с помощью которых регистрируются α-частицы, так что фактически они исчезают.
Когда они остались наедине в спальне, Сара Маллер выразила свою точку зрения по-другому и гораздо энергичнее. Смысл ее нотаций был таков: «Возьми себя в руки, Норман. Ты ведь изо всех сил стараешься упустить возможность, которая выпадает раз в жизни».
Норман прошептал в отчаянии:
Обнаружить α-частицы можно при помощи пленки химического соединения, называемого сернистым цинком. Каждый раз, когда α-частица налетает на такую пленку, она вызывает слабую вспышку света. Если рядом с источником α-частиц (скажем, кусочком тория-232 в свинцовом контейнере с очень узким отверстием) поместить сцинтилляционный счетчик, то число вспышек будет соответствовать количеству образующихся α-частиц. Если сцинтилляционный счетчик располагать все дальше и дальше от источника, α-частицы должны будут проходить через все больший и больший слой воздуха, чтобы попасть в него. Если бы α-частицы испускались с различными энергиями, то обладающие наименьшей энергией исчезли бы очень быстро, более «энергичные» α-частицы прошли бы больший путь в воздухе и т. д. В результате по мере удаления сцинтилляционного счетчика от источника число α-частиц, попадающих в счетчик, должно было бы постепенно уменьшаться. Если бы α-частицы вылетали с одинаковой энергией, все они проходили бы в воздухе одинаковый путь. Следовательно, сцинтилляционный счетчик должен был бы регистрировать одно и то же число частиц по мере удаления от источника, вплоть до некоторой критической точки, за которой он не зарегистрировал бы ни одной вспышки.
— Я боюсь, Сара. Боюсь всего этого.
Именно это явление наблюдал английский физик Уильям Генри Брэгг в 1904 году. Почти все α-частицы, вылетающие из ядер одного и того же элемента, имели одну и ту же энергию и обладали одинаковой проникающей способностью. Все α-частицы тория-232 проходили слой воздуха толщиной 2,8 см, все α-частицы радия-226— 3,3 см, а α-частицы полония-212 — 8,6 см [15]. На самом деле имеются некоторые отклонения. В 1929 году было обнаружено, что небольшая часть частиц одного и того же радиоактивного ядра может обладать необычайно большой кинетической энергией и большей проникающей способностью, чем остальные. Причина этого в том, что исходное радиоактивное ядро может находиться в одном из возбужденных состояний. В возбужденных состояниях ядра имеют большую энергию, чем в своем нормальном основном состоянии. Когда ядро испускает α-частицу, находясь в возбужденном состоянии, α-частица получает дополнительную энергию. В результате помимо основной группы α-частиц образуются маленькие группы α-частиц с большей проникающей способностью, по одной группе для каждого возбужденного состояния.
— Господи, почему? Неужели так страшно ответить на один-два вопроса?
— Слишком большая ответственность. Она мне не по силам.
Когда радиоактивное ядро образуется при распаде другого ядра, оно иногда находится в возбужденном состоянии с момента своего образования. Тогда большая часть испускаемых им α-частиц имеет необыкновенно большую энергию, а α-частицы с меньшей энергией образуют небольшие группы. Эти отдельные группы α-частиц (от 2 до 13) с различными энергиями образуют спектр α-частиц данного ядра. Каждая компонента спектра соответствует, как и предполагали, одному из возбужденных состояний ядра. Итак, закон сохранения энергии α-частиц выполняется, чего нельзя сказать в случае β-частиц.
— Ответственность? Никакой ответственности нет. Тебя выбрал Мультивак. Вся ответственность лежит на Мультиваке. Это знает каждый.
Энергия β-частицы
Норман сел в кровати, охваченный внезапным приступом гнева и тоски:
— Считается, что знает каждый. А никто ничего знать не хочет. Никто…
Если все выводы, сделанные для α-частиц, были бы применимы к β-частицам и выполнялись бы рассмотренные энергетические соотношения, все образующиеся при распаде ядер β-частицы обладали бы одной и той же кинетической энергией. Однако еще в 1900 году создалось впечатление, что β-частицы испускаются с любой энергией вплоть до некоторого максимального значения. В течение последующих пятнадцати лет доказательства постепенно накапливались, пока не стало совершенно ясно, что энергии β-частиц образуют непрерывный спектр.
Каждое ядро, испуская в процессе распада β-частицу, теряет определенное количество массы. Уменьшение массы должно соответствовать величине кинетической энергии β-частицы. При этом кинетическая энергия β-частицы любого из известных нам радиоактивных ядер не превышает энергии, эквивалентной уменьшению массы. Таким образом, уменьшение массы при любом радиоактивном распаде соответствует максимальному значению кинетической энергии β-частиц, образующихся в процессе этого распада.
— Тише, — злобно прошипела Сара. — Тебя на другом конце города слышно. — …ничего знать не хочет, — повторил Норман, сразу понизив голос до шепота. — Когда говорят о правительстве Риджли 1988 года, разве кто-нибудь скажет, что он победил на выборах потому, что наобещал золотые горы и плел расистский вздор? Ничего подобного! Нет, они говорят «выбор сволочи Маккомбера», словно только Хамфри Маккомбер приложил к этому руку, а он-то отвечал на вопросы Мультивака и больше ничего. Я и сам так говорил, а вот теперь я понимаю, что бедняга был всего-навсего простым фермером и не просил назначать его избирателем. Так почему же он виноват больше других? А теперь его имя стало ругательством.
Но, согласно закону сохранения энергии, ни одна из β-частиц не должна обладать кинетической энергией меньше энергии, эквивалентной уменьшению массы, т. е. максимальная кинетическая энергия β-частицы должна быть одновременно и минимальной. В действительности это не так. Очень часто β-частицы испускаются с меньшей кинетической энергией, чем следует ожидать, причем максимального значения, соответствующего закону
— Рассуждаешь, как ребенок, — сказала Сара.
— Рассуждаю, как взрослый человек. Вот что, Сара, я откажусь. Они меня не могут заставить, если я не хочу. Скажу, что я болен. Скажу…
сохранения энергии, вряд ли достигает хоть одна β-частица. Одни β-частицы обладают кинетической энергией, несколько меньшей максимального значения, другие — значительно меньшей, остальные — намного меньшей. Наиболее распространенная величина кинетической энергии равна одной трети максимального значения. В общем, более половины энергии, которая должна возникать вследствие уменьшения массы при радиоактивных распадах, сопровождающихся образованием β-частиц, нельзя обнаружить.
Но Саре это уже надоело.
В двадцатых годах многие физики были склонны уже отказаться от закона сохранения энергии, по крайней мере для тех процессов, в которых образуются β-частицы. Перспектива была тревожной, так как закон оставался справедлив во всех других случаях. Но существует ли другое объяснение этого явления?
— А теперь послушай меня, — прошептала она в холодной ярости. — Ты не имеешь права думать только о себе. Ты сам знаешь, что такое избиратель года. Да еще в год президентских выборов. Реклама, и слава, и, может быть, куча денег…
— А потом опять становись к прилавку.
В 1931 году Вольфганг Паули предложил следующую гипотезу: β-частица не получает всю энергию из-за того, что образуется вторая частица, которая уносит остаток энергии. Энергия может распределиться между двумя частицами в любых пропорциях. В некоторых случаях почти вся энергия передается электрону, и тогда он имеет почти максимальную кинетическую энергию, эквивалентную уменьшению массы.
— Никаких прилавков! Тебя назначат по крайней мере управляющим одного из филиалов, если будешь все делать по-умному, а уж это я беру на себя. Если ты правильно разыграешь свои карты, то «Универсальным магазинам Кеннелла» придется заключить с тобой выгодный для нас контракт — с пунктом о регулярном увеличении твоего жалованья и обязательством выплачивать тебе приличную пенсию.
Иногда почти вся энергия передается второй частице, тогда энергия электрона фактически равна нулю. Когда энергия распределяется между двумя частицами более равномерно, электрон имеет промежуточные значения кинетической энергии.
— Избирателя, Сара, назначают вовсе не для этого.
Какая же частица удовлетворяет предположению Паули? Вспомним, что β-частицы возникают всякий раз, когда внутри ядра нейтрон превращается в протон. При рассмотрении превращения нейтрона в протон, несомненно, проще иметь дело со свободным нейтроном. Нейтрон не был открыт, когда Паули впервые предложил свою теорию. Мы же можем воспользоваться преимуществом ретроспективного взгляда.
— А тебя — как раз для этого. Если ты не желаешь думать о себе или обо мне — я же прошу не для себя! — то о Линде ты подумать обязан.
Норман застонал.
— Обязан или нет? — грозно спросила Сара.
При распаде свободного нейтрона на протон и электрон, последний вылетает с любой кинетической энергией вплоть до максимальной, которая приблизительно равна 0,78 Мэв. Ситуация аналогична испусканию радиоактивным ядром β-частицы, поэтому при рассмотрении распада свободного нейтрона необходимо учесть частицу Паули.
— Да, милочка, — прошептал Норман.
Третьего ноября последовало официальное сообщение, и теперь Норман уже не мог бы отказаться, даже если бы у него хватило на это мужества.
Обозначим частицу Паули х и попробуем выяснить ее свойства. Запишем реакцию распада нейтрона:
Они были полностью изолированы от внешнего мира. Агенты секретной службы, уже не скрываясь, преграждали всякий доступ в дом.
п → р+ + е- + х.
Сначала беспрерывно звонил телефон, но на все звонки с чарующе-виноватой улыбкой Филип Хэндли отвечал сам. В конце концов станция попросту переключила телефон на полицейский участок.
Если при распаде нейтрона выполняется закон сохранения электрического заряда, х-частица должна быть нейтральной. Действительно, 0=1–1+0. При распаде нейтрона на протон и электрон потеря массы составляет 0,00029 единиц по атомной шкале масс, что приблизительно равно половине массы электрона. Если бы x-частица получила даже всю энергию, образующуюся в результате исчезновения массы, и если бы вся энергия пошла на образование массы, масса х составляла бы только половину массы электрона. Следовательно, x-частица должна быть легче электрона. На самом деле она должна быть значительно легче, так как обычно электрон получает большую часть выделяющейся энергии, а иногда почти всю. Более того, вряд ли энергия, переданная х-частице, полностью превращается в массу; значительная часть ее переходит в кинетическую энергию х-частицы. С годами оценка массы х-частиц становилась все меньше и меньше. Наконец, стало ясно, что х-частица, как и фотон, не имеет массы, т. е. подобно фотону она распространяется со скоростью света с момента своего возникновения. Если энергия фотона зависит от длины волны, энергия х-частицы зависит от чего-то аналогичного.
Следовательно, частица Паули не имеет ни массы, ни заряда, и становится понятным, почему она остается «невидимкой». Заряженные частицы обычно обнаруживают благодаря ионам, которые они образуют. Незаряженный нейтрон был обнаружен из-за большой массы. Частица без массы и без заряда ставит физика в тупик и лишает его какой бы то ни было возможности поймать и изучить ее.
Норман полагал, что так его спасают не только от захлебывающихся от поздравлений (и зависти) друзей, но и от бессовестных приставаний коммивояжеров, чующих возможную прибыль, от расчетливой вкрадчивости политиканов со всей страны… А может, и от полоумных фанатиков, готовых разделаться с ним.
Вскоре после того, как Паули предположил существование х-частицы, она получила имя. Сначала её хотели назвать «нейтроном», так как она не заряжена, но через год после появления гипотезы Паули Чедвик открыл тяжелую незаряженную частицу, которая получила это имя. Итальянский физик Энрико Ферми, имея в виду, что х-частица намного легче нейтрона Чедвика, предложил назвать х-частицу нейтрино, что по-русски значит «нечто маленькое, нейтральное». Предложение было очень удачным, и с тех пор она так и называется. Обычно нейтрино обозначают греческой буквой ν «ню») и распад нейтрона записывают следующим образом:
В дом запретили приносить газеты, чтобы оградить Нормана от их воздействия, а телевизор отключили — деликатно, но решительно, и громкие протесты Линды не помогли.
п → р+ + е- + ν..
Мэтью ворчал и не покидал своей комнаты; Линда, когда первые восторги улеглись, начала дуться и капризничать, потому что ей не позволяли выходить из дому; Сара делила время между стряпней и планами на будущее; а настроение Нормана становилось все более и более угнетенным под влиянием одних и тех же мыслей.
Нейтрино совершенно необходимо
Гипотеза Паули о существовании нейтрино и последовавшая затем детальная теория рождения нейтрино, созданная Ферми, были по-разному встречены физиками. Никто не желал отказываться от закона сохранения энергии, хотя имелись серьезные сомнения относительно необходимости спасения этого закона с помощью частицы без массы и без заряда, частицы, которую нельзя обнаружить, частицы, единственным основанием для существования которой было просто желание спасти закон сохранения энергии. Некоторые физики считали ее призрачной частицей, своего рода трюком для спасения энергетической «бухгалтерии». Фактически концепция нейтрино была просто способом выражения того, что «закон сохранения энергии не выполняется» [16]. Закон сохранения энергии оказался не единственным, спасенным нейтрино.
И вот наконец настало утро четвертого ноября 2008 года, наступил День Выборов.
Завтракать сели рано, но ел один только Норман Маллер, да и то по привычке. Ни ванна, ни бритье не смогли вернуть его к действительности или избавить от чувства, что и вид у него такой же скверный, как душевное состояние.
Рассмотрим неподвижный нейтрон, т. е. нейтрон с нулевым импульсом относительно наблюдателя. При его распаде суммарный импульс протона и электрона должен равняться нулю, если распад сопровождается образованием только двух частиц. Электрон должен вылететь в одном направлении, а протон точно в противоположном (но с меньшей скоростью, так как его масса больше).
Хэндли изо всех сил старался разрядить напряжение, но даже его дружеский голос не мог смягчить враждебности серого рассвета. (В прогнозе погоды было сказано: облачность, в первую половину дня возможен дождь.) Хэндли предупредил:
Однако это не так. Электрон и протон испускаются в направлениях, которые образуют определенный угол. Небольшой суммарный импульс в направлении вылета частиц возникает как бы из ничего, и закон сохранения импульса нарушается. Однако, если при этом возникает нейтрино, оно может вылететь в таком направлении, что в точности скомпенсирует суммарный импульс двух других частиц (рис. 6).
— До возвращения мистера Маллера дом останется по-прежнему под охраной, а потом мы избавим вас от своего присутствия.
Другими словами, закон сохранения импульса выполняется только благодаря нейтрино.
Агент секретной службы на этот раз был в полной парадной форме, включая окованную медью кобуру на боку.
— Вы же совсем не были нам в тягость, мистер Хэндли, — сладко улыбнулась Сара.
Рис. 6. Распад нейтрона.
Норман выпил две чашки кофе, вытер губы салфеткой, встал и произнес каким-то страдальческим голосом:
Легко видеть, что аналогично обстоит дело и с моментом количества движения. Нейтрон, протон и электрон имеют спин +1/2 или -1/2 каждый. Предположим, что спин нейтрона +1/2. При его распаде суммарный спин протона и электрона должен быть равен +1/2, если закон сохранения момента количества движения справедлив и при распаде образуются только эти две частицы. Возможно ли это? Спины протона и электрона могут быть равны +1/2 и +1/2; +1/2 и -1/2; -1/2 и -1/2, т. е. суммарный спин обеих частиц равен +1, 0 и — 1 соответственно. Он не равен и никогда не может быть равен +1/2 или -1/2, если вначале спин нейтрона был равен -1/2. Короче говоря, если нейтрон распадается только на протон и электрон, закон сохранения момента количества движения нарушается.
— Я готов.
Хэндли тоже поднялся.
Но предположим, что при распаде возникает нейтрино со спином +1/2 или -1/2. Тогда суммарный спин трех возникших при распаде частиц всегда будет равен спину исходного нейтрона. Следовательно, существование нейтрино «спасает», по крайней мере, три закона: закон сохранения энергии, импульса и момента количества движения. Примечательно, что одна и та же частица выполняет тройную работу.
— Прекрасно, сэр. И благодарю вас, миссис Маллер, за любезное гостеприимство.
Трудно сказать, что было хуже: признать существование одной загадочной, призрачной частицы или нарушение одного закона сохранения. Значительно легче сделать выбор между призрачной частицей и нарушением сразу трех законов сохранения. Пришлось физикам выбрать призрачную частицу. Постепенно существование нейтрино было признано ядерщиками. Они перестали сомневаться в реальности нейтрино независимо от того, могли его обнаружить или нет.
Бронированный автомобиль урча несся по пустынным улицам. Даже для такого раннего часа на улицах было слишком пусто.
Хэндли обратил на это внимание Нормана и добавил:
Сохранение лептонного числа
— На улицах, по которым пролегает наш маршрут, теперь всегда закрывается движение — это правило было введено после того, как покушение террориста в девяносто втором году чуть не сорвало выборы Леверетта.
Нейтрино не только спасает три закона сохранения, но и создает один новый. Чтобы понять, как это происходит, рассмотрим нейтрино применительно к античастицам.
Когда машина остановилась, Хэндли, предупредительный, как всегда, помог Маллеру выйти. Они оказались в подземном коридоре, вдоль стен которого шеренги солдат замерли по стойке «смирно».
Антинейтрон распадается на антипротон и позитрон (антиэлектрон). Ситуация аналогична распаду нейтрона. Позитрон вылетает с меньшей кинетической энергией, чем должен, позитрон и антипротон не разлетаются во взаимно противоположных направлениях и их спины не складываются надлежащим образом. Добавление нейтрино и в этом случае все сбалансирует.
Маллера проводили в ярко освещенную комнату, где три человека в белых халатах встретили его приветливыми улыбками.
Норман сказал резко:
Возникает, естественно, вопрос: одно и то же ли нейтрино образуется при распаде антинейтрона и при распаде нейтрона?
— Но ведь это же больница!
Нетрудно доказать, что нейтрино бывают разными. Нейтрино, обладающее спином, подобно нейтрону, создает магнитное поле, которое имеет два различных направления. Следовательно, нейтрино и антинейтрино существуют точно так же, как нейтрон и антинейтрон. При распаде нейтрона возникает один из близнецов нейтрино, а при распаде антинейтрона — другой. Но какой из них сопровождает данный распад?
— Неважно, — тотчас же ответил Хэндли. — Просто в больнице есть все необходимое оборудование.
Я уже описал закон сохранения барионного числа, который утверждает, что суммарное барионное число замкнутой системы остается постоянным. Имеется ли аналогичный закон сохранения лептонного числа, по которому суммарное лептонное число замкнутой системы, остается неизменным? Почему нам не потребовать от лептонов того же, что и от барионов? К сожалению, если нейтрино не включить в рассмотрение, то этого сделать нельзя.
— Ну, так что же я должен делать?
Хэндли кивнул. Один из трех людей в белых халатах шагнул к ним и сказал:
Припишем электрону лептонное число +1, а позитрону или антиэлектрону — лептонное число -1. Фотон, являющийся своей собственной античастицей, не может иметь лептонное число ни +1, ни -1, и было бы логично приписать ему нулевое лептонное число. Все барионы также имеют нулевые лептонные числа.
— Вы передаете его мне.
Вернемся снова к распаду нейтрона. Начнем с одного нейтрона, имеющего барионное число 1 и нулевое лептонное число. Предположим, что при распаде нейтрона образуется только протон и электрон. Протон и электрон должны иметь суммарное барионное число 1 и суммарное лептонное число 0, если оба эти числа сохраняются. Действительно, сумма барионных чисел двух частиц равна +1 (т. е. 1 + 0) в соответствии с законом сохранения барионного числа. Суммарное лептонное число протона и электрона тоже равно +1 (т. е. 1 + 0), хотя в начале и реакции лептонное число равнялось нулю. Следовательно, лептонное число не сохраняется.
Хэндли небрежно козырнул и вышел из комнаты.
Человек в белом халате проговорил:
Предположим, что к лептонам принадлежат нейтрино и антинейтрино с лептонными числами + 1 и -1 соответственно. Тогда при распаде нейтрона на протон, электрон и антинейтрино лептонное число сохраняется (0 + 1–1 = = 0), и распад можно записать следующим образом:
— Не угодно ли вам сесть, мистер Маллер? Я Джон Полсон, старший вычислитель. Это Самсон Левин и Питер Дорогобуж, мои помощники.
п → р+ + е- + \'ν,
Норман тупо пожал всем руки. Полсон был невысок, его лицо с расплывчатыми чертами, казалось, привыкло вечно улыбаться. Он носил очки в старомодной пластиковой оправе и накладку, плохо маскировавшую плешь. Разговаривая, Полсон закурил сигарету. (Он протянул пачку и Норману, но тот отказался.) Полсон сказал:
где \'ν — антинейтрино.
— Прежде всего, мистер Маллер, я хочу предупредить вас, что мы никуда не торопимся. Если понадобится, вы можете пробыть здесь с нами хоть целый день, чтобы привыкнуть к обстановке и избавиться от ощущения, будто в этом есть что-то необычное, какая-то клиническая сторона, если можно так выразиться.
Когда распадается антинейтрон с нулевым лептонным числом, возникают антипротон, позитрон и нейтрино. Лептонные числа трех образовавшихся частиц 0, -1 и +1 соответственно, а их сумма равна нулю:
— Это мне ясно, — сказал Норман. — Но я предпочел бы, чтобы это кончилось поскорее.
\'п → \'р- + \'е+ + ν.
В свободном состоянии нейтроны и антинейтроны распадаются на протоны и антипротоны, обратная ситуация не имеет места. Однако внутри ядер протоны иногда спонтанно превращаются в нейтроны (например, в случае фосфора-30). Аналогично в антивеществе антипротоны превращаются в антинейтроны.
— Я вас понимаю. И тем не менее нужно, чтобы вы ясно представляли себе, что происходит. Прежде всего, Мультивак находится не здесь.
Когда протон превращается в нейтрон, образуются позитрон и нейтрино:
— Не здесь? — Все это время, как он ни был подавлен, Норман таил надежду увидеть Мультивак. По слухам, он достигал полумили в длину и был в три этажа высотой, а в коридорах внутри его — подумать только! — постоянно дежурят пятьдесят специалистов. Это было одно из чудес света.