Історична довідка

Уже багато років усе частіше й частіше не тільки в вагомих наукових журналах, але й на сторінках газет і популярних видань приходиться зустрічатися з "таємничою" елементарною частинкою, яка носить досить дивну назву - "нейтрино". Що ж це за частинка, яку роль вона відіграє у фізиці елементарних частинок й у Всесвіті?

Коли ця частинка вперше з'явилася у фізиці вчені уже твердо знали, що існують такі елементарні частинки, як нейтрони й протони - "цеглинки", з яких складається атомне ядро.

У 1931 р. відомий швейцарський фізик Вольфганг Паулі прийшов до висновку, що в природі повинна існувати ще одна нейтральна частинка з масою, набагато меншою, ніж у нейтрона, як він говорив, "маленький нейтрон". Коли Паулі викладав цю ідею з трибуни однієї міжнародної наукової конференції, італійський фізик Енріко Фермі перебив його словами:

- Називайте її "нейтрино"!

Справа в тім, що на італійській мові зменшувальне "ино" відповідає російським суфіксам "чик" або "ушк". Так що нейтрино в перекладі з італійської буде означати "маленький нейтральний", або просто "нейтрончик".

Так нейтрино було винайдено Паулі, а одержало назву з легкої руки Фермі. "Винахід" нейтрино було здійснено завдяки труднощам, виявленим при експериментальному дослідженні так званого процесу бета - розпаду. Цей процес полягає у випромінюванні ядрами деяких хімічних елементів негативних електронів (е^-). Коли нейтрино ще не було "винайдене", припускали, що бета-розпад ядра Z, що має заряд + Ze, відбувається за схемою

Z (Z+1)+е^-. (3.1.2.7)

Але виявилося, що енергії електронів, які вилітають, у цьому процесі не мають дискретного значення. У більшості випадків енергії явно не вистачало в порівнянні з тією, яку вони повинні були теоретично мати. Створювалося враження, що енергія кудись зникає, начебто порушувався закон збереження енергії. Труднощі були настільки значними, що деякі великі фізики пропонували навіть відмовитися від цього фундаментального закону.

Удаване незбереження енергії, однак, мало досить дивний характер. Дійсно, якщо енергія не зберігається в процесі бета-розпаду, то ми повинні були б очікувати, що іноді енергії електронів буде не вистачати, а іноді з'явиться "зайва". Однак виявилося, що "зайвої" енергії не буває.

Таким чином, не природне прагнення зберегти непорушними закони фізики, а факти, яким у науці завжди належить останнє слово, змусили встати на захист закону збереження енергії. Але як?

"Винахідник" нейтрино міркував так. Удаване незбереження енергії обумовлене просто тим, що вищенаведена схема неправильно описує процес бета-розпаду. У цьому процесі повинна брати участь ще одна, не виявлена дослідним шляхом нейтральна (а тому практично невловима) частинка, яка несе "зниклу" енергію. Вона і була названа нейтрино ( ). Таким чином, схема бета-розпаду виглядала так:

Z (Z+1)+е^-+ , (3.1.2.8)

де е^- - електрон; - антинейтрино.

І хоча для всіх частинок, які виділяються в цьому процесі, сумарна енергія має точно визначену величину, вона розподіляється між продуктами розпаду так, що в різних випадках електрон одержує різні її порції. Сам фундаментальний процес бета-розпаду - розпад нейтрона буде тому описаний схемою

n p+е^-+ . (3.1.2.9)

Всередині атомних ядер протон також може перетворюватися в нейтрон з випромінюванням позитивного електрона (або позитрона) і нейтрино:

p n + е⁺ + , (3.1.2.10)

де е⁺ -позитрон, позитивно заряджений електрон; - нейтрино.

Отже, нейтрино - це частинка, яка при бета-розпаді несе частину енергії. Так припускали фізики-теоретики, що із самого початку вважали її як "невловиму" частинку. І відразу ж були передбачені властивості нової частинки: вона повинна бути електрично- нейтральною, мати високу проникну здатність і бути надзвичайно малою за масою. Інакше експериментаторам було б неважко знайти її, а це виявилося зовсім не просто. Остання властивість - вкрай мала маса - відповідно до теорії відносності приводить до того, що нейтрино не може знаходитися в стані спокою: воно завжди рухається зі швидкістю світла.

Після того як гіпотеза про існування нейтрино була сформульована, фізики спробували знайти й інші докази його присутності в бета-розпаді. Як відомо, при перетвореннях частинок, як і при будь-яких фізичних процесах, що відбуваються в будь-якій системі, зберігається не тільки енергія, але і кількість руху або імпульс.

Якщо нейтрон, який дає бета-розпад, нерухомий, то його імпульс дорівнює нулю. Виходить, і сумарний імпульс усіх частинок - продуктів розпаду - також повинен бути рівним нулю. Але в численних дослідах, перший з яких ще в 1934 р. поставив радянський фізик О. Лейпунський, було показано, що сумарний імпульс електрона й ядра віддачі (Z+1) при бета-розпаді ядра Z не дорівнює нулю. Це підтверджує гіпотезу про нейтрино: невловима частинка несе "зниклий" імпульс.

Схема бета - розпаду нейтрона й протона

Як з'ясувалося після відкриття інших елементарних частинок, особливо мезонів, нейтрино бере участь не тільки в бета-розпаді ядер, але й в інших процесах. Його присутність виявляється завжди, коли енергія начебто зникає. До речі, у деяких з цих процесів, де число частинок, що утворюються, дорівнює двом, а не трьом, як у процесі бета-розпаду, характер "незбереження енергії" більш ніж підозрілий і вимагає існування нейтрино ще ясніше, ніж у випадку бета-розпаду.

Наприклад, при розпаді так званого піона (або пі-мезона) завжди "зникає" певна енергія, близько 30 МеВ. У процесі захоплення мюона (або мю-мезона) ядром гелію-3

µ^- + ³He ³H + , (3.1.2.11)

виявленому в Об'єднаному інституті ядерних досліджень у Дубні, "зникає" близько 100 МеВ (енергія нейтрино), а ядра віддачі тритію ³H мають енергію, завжди точно рівну 1,9 МеВ. Якби ці процеси були відомі раніше, ніж бета-розпад, не було б необхідності в генії Паулі для "відкриття" нейтрино.

Нейтрино й антинейтрино відрізняються одне від одного тим, що мають різний напрямок "спіральності", причому нейтрино нагадує гвинт із лівим різьбленням, а антинейтрино - із правим.