2000 №2

Между 1930 и 1933 годами в науке о β-распаде произошли важнейшие события. В 1942 году Джеймс Чэдвик экспериментально открыл «настоящий» нейтрон. Почти сразу же была выдвинута (Дмитрием Иваненко), развита (Вернером Гейзенбергом) и стала общепризнанной теория протон-нейтронной структуры ядра. Теперь, следуя гипотезе Паули, процесс ядерного β-распада можно представить как распад одного из нейтронов ядра (если, конечно, масса ядра достаточна) на три частицы:

n —> р + е^- + v.

Такой распад свободного нейтрона обязан происходить и происходит, поскольку не запрещен никакими известными законами сохранения: сохраняется электрический заряд, сохраняются энергия и импульс (спектр электронов для трехчастичного распада нейтрона удивительно похож на известный из эксперимента), сохраняется и угловой момент, так как из трех векторных спинов дочерних частиц, равных 1/2, можно «сложить» 1/2 для родительского нейтрона.

Паули достаточно ясно представил коллегам и портрет неуловимого похитителя энергии. В сольвеевском докладе он говорил: «Что касается свойств этих нейтральных частиц, то, во-первых, из атомных весов мы заключаем, что массы нейтральных частиц не могут быть существенно больше массы электрона. Для того чтобы отличить их от тяжелого нейтрона, Энрико Ферми предложил имя «нейтрино» («нейтрончик». — В. Н.). Возможно, присущая нейтрино масса равна нулю, так что, подобно фотону, оно распространяется со скоростью света. Тем не менее проникающая способность нейтрино должна быть много больше проникающей способности фотона с той же энергией. Мне кажется допустимым, что нейтрино обладает спином 1/2…, хотя эксперимент и не дает прямых доказательств этой гипотезы».

В одном кубическом сантиметре вещества содержится примерно 10²³ атомов. Радиус ядра около 10¹² см, а площадь поперечного сечения — 10 ²⁴ см². Суммарная площадь всех ядер, разложенных на плоскости, 0,1 см², 1/10 площади. А эффективное сечение взаимодействия нейтрино с веществом в миллиард (10⁹) раз меньше. На рисунке эту площадь воспроизвести невозможно: для этого пришлось бы разделить каждую сторону квадратика более чем на 10 000 отрезков.

МОЖНО ЛИ ДОБЫТЬ ПРЯМЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА?

Паули представил внушительную папку с косвенными доказательствами для трехчастичной версии сценария β-распада с участием невидимого нейтрино. Энрико Ферми был настолько убежден в реальности своего «крестника», что в 1934 году опубликовал теорию β-распада — первую замечательную модель слабых взаимодействий. Эта теория позволяла вычислить вероятность взаимодействия нейтрино с протоном. Как и ожидал Паули, эта вероятность оказалась невероятно мала. Чтобы представить себе эту малость, лучше всего воспользоваться формулами.

Возьмем пучок нейтрино и направим его на большую мишень, которая обычно содержит приблизительно 10²³ ядер (маленьких мишенек) в кубическом сантиметре. Ядра имеют радиус около 10^-12 см и, следовательно, площадь поперечного сечения около 10^-24 см². Общая площадь всех ядер составит около 0,1 см². Значит, если собрать все мишеньки на одну плоскость размером 1 см², они займут одну десятую часть ее площади.

Если в привычном нам мире пуля попадет в стеклянный шарик, можно не сомневаться, что от него останутся осколки. Будь налетающие на мишень нейтрино классическими пулями, а ядра-мишеньки стеклянными шариками, вероятность разбить одно из ядер (или отскочить от слишком «твердого ядра») была бы 1/10. Для взаимодействия элементарных частиц предписаны квантовые вероятностные законы: частица может «проскочить сквозь» частицу без последствий. Но физики для характеристики вероятности рассеяния или поглощения элементарных частиц приняли по аналогии со светом модель «черной» мишеньки: черная мишень свет поглощает полностью, серая — частично. Реальную серую мишень можно представить себе как прозрачную, но с черным кружком такой площади, чтобы общее поглощение пучка было таким же, как у серой. Площадь черной мишени называют эффективной площадью мишени реальной.

Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом. Только пройдя сквозь слой свинца такое же расстояние, как от Солнца до центра нашей Галактики, пучок нейтрино наверняка прореагирует целиком.

Теперь посчитаем вероятность взаимодействия.