Ядерна фізика. Частина 3. Ще трохи про частинки.

Ця стаття є частиною циклу з 8 статей про ядерну фізику.

Початок

Попередня частина

Перш ніж ми продовжимо знайомство з частинками, які фігурують у ядерній фізиці, я розповім трошки теорії. Намагатимуся пояснити все якомога простіше.

Різні типи взаємодії

У фізиці існують чотири типи взаємодії: гравітаційна, електромагнітна, сильна та слабка.

У гравітаційну взаємодію вступає все, що має масу, наприклад Земля притягує нас, а Сонце притягує Землю. Але для мас елементарних частинок ця взаємодія настільки слабка, що впливом гравітації на їх взаємодію майже завжди можна знехтувати.

Щодо інших типів взаємодії поки що достатньо знати небагато:

• Електрони і протони вступають в електромагнітну взаємодію, бо мають електричний заряд.
• Електрон також вступає в слабку взаємодію, але не вступає в сильну. Такі частинки називаються лептонами. Позитрон теж є лептоном, про його зв’язок з електроном ми ще поговоримо.
• Протони та нейтрони вступають і в сильну, і в слабку взаємодію. Такі частинки називають адронами. За утримання нуклонів в ядрі відповідає сильна взаємодія, але наприклад бета-розпади обумовлені слабкою взаємодією.
• Сильна і слабка взаємодії відбуваються на істотно меншій відстані між частинками, ніж електромагнітна. Отже, обумовлені ними процеси є більш рідкими. Найрідшими є процеси обумовлені слабкою взаємодією. Але а малих відстанях ці два види взаємодії спроможні подолати електромагнітну. На приклад всередині ядра сильна взаємодія притягання перевищує електричне відштовхування протонів.

Що таке античастинки?

Відкриття частинки, що має заряд як протон, а масу — як електрон, спочатку здивувало фізиків. Стало зрозуміло, що світ частинок з кожним новим відкриттям ускладнюється. Прагнення простоти, яке я згадував вище, згодом підказало фізикам-теоретикам гіпотезу античастинок.

Щоб її сформулювати, спочатку конкретизуємо поняття заряду. Наразі ми знаємо про електричний заряд, який є мірою здатності частинки вступати в електричну взаємодію. Але існують інші види взаємодії, яким теж відповідають свої заряди. Для всіх зарядів, що відповідають різним видам взаємодії, діють закони збереження. Коли фізики досліджують частинки, то часто вони користуються квантовими числами для опису їх властивостей. Слід зазначити, що є також квантові числа, що описують різні стани однієї частинки.

Гіпотеза античастинок полягає в тому, що для кожного сорту частинок існує “двійник”, який має таку саму масу, але всі квантові числа — протилежні за знаком. “Двійник” називається античастинкою. Наразі для кожної частинки відома відповідна античастинка.

Як дізнаються про “невидимі” частинки?

Коли частинку реєструють, то окрім того, щоб її ідентифікувати, намагаються визначити параметри її руху: швидкість або кінетичну енергію, та напрямок. Якщо це вдається, то експериментатор має повну інформацію про рух частинки. Але часто буває так, що всіх параметрів визначити безпосередньо не вдається, тоді деякі доводиться обчислювати.

Як це робиться? Уявіть собі гру в більярд. Напрямки руху кульок після зіткнення пов’язані між собою законами збереження імпульсу і енергії. У випадку зіткнення ядер або частинок мають місце такі самі закони, тільки не на площині, а у просторі. Також відбуваються певні явища пов’язані з теорією відносності, бо швидкості частинок є досить великими. Такі явища називають “релятивістськими”.

А тепер уявімо собі, що ми прогавили одну “кульку”: всі побачили, а одну — ні. Тоді знаючи маси швидкості та напрямки руху всіх інших “кульок” можна обчислити куди і як рухалася та, якої ми не побачили. Теорія відносності дозволяє також обчислити масу невидимої частинки. Отже, з параметрів “кульок”, які було зареєстровано, можна побачити, чи прогавили ми щось, чи ні. Рівняння, на яких засновані ці обчислення, називають кінематичними.

Якщо ж ми не побачили двох “кульок”, то вже однозначно обчислити їх параметрів ми не можемо, але можемо встановити співвідношення між ними і накласти деякі обмеження.

Дуже часто на існування нових частинок спочатку вказують кінематичні обчислення, а тільки потім їх починають шукати і реєструють.

Нейтрино

Тепер повернемося до явища бета-розпаду. Спочатку вважалося, що бета-активні ядра випромінюють лише електрони (або позитрони). Але коли навчилися не тільки реєструвати продукти розпаду, але також міряти їх енергію, виникли сумніви щодо цього.

У випадку альфа-радіоактивності певного ізотопу частинки мають одну енергію. Цей факт має пояснення з точки зору кінематики. При альфа-розпаді ядра вилітає альфа-частинка, та в протилежний бік летить залишок початкового ядра (часто кажуть “ядро віддачі”). Оскільки мають місце однакові розпади (виділяється одна і та сама енергія), то енергії ядер, що розлітаються, будуть однакові.
Але для бета-активності, як виявилося, має місце дуже розмитий розподіл енергії електронів (чи позитронів). Фізики прийшли до висновку, що тут є ще якась третя частинка. Провели експерименти з детектором, в якому було видно сліди частинок продуктів бета-розпаду. Хоча сліди залишали тільки електрони та ядра віддачі, вони не летіли в протилежні сторони, отже видно було, що є ще щось.

Так з’явилася гіпотеза про існування частинки нейтрино, згідно законів збереження електрично нейтральної, та згідно кінематичних розрахунків — легкої. Отже імовірність взаємодії її з речовиною є дуже малою. На приклад, зараз відомо, вони здатні пролетіти крізь Землю без розсіяння.

Але мала імовірність — не означає повної відсутності взаємодії. Згодом нейтрино було зареєстровано. Хоча вона електричного заряду не має, але має лептонний заряд, як електрон, і вступає в слабку взаємодію. Зараз для реєстрації нейтрино переважно використовують світлові спалахи у воді при взаємодії їх з електронами. Це є дуже рідке явище, отже в ролі детекторів виступають великі басейни з водою, та все одно реєструється лише маленька частинка нейтрино, що потрапляють в ці басейни.

Існує також антинейтрино, яке має протилежний лептонний заряд. При бета-мінус розпаді з’являються електрон та антинейтрино, при бета-плюс розпаді — позитрон та нейтрино. Пізніше виявилося, що нейтрино та антинейтрино, які з’являються при бета-розпадах — це є лише одне з трьох, як кажуть фізики “поколінь” нейтрино. Отже загалом є шість сортів цих частинок.

Детальніше описувати їх властивості я зараз не буду. Скажу тільки, що маса їх настільки маленька, що відомо тільки верхню границю для неї, але існують теоретичні вказівки, що вона ненульова. Про частинки з нульовою масою ми ще поговоримо.

Наступна частина

Література

1. Китайгородский А. И. Физика для всех: Фотоны и ядра. — М.: Наука, 1982
2. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1989 — Т. V. Атомная и ядерная физика. Часть 2: Ядерная физика.
3. К. Н. Мухин. Экспериментальная ядерная физика. Книга 1. Физика атомного ядра. Часть 1. Свойства ядра, нуклонов и радиоактивных излучений.
4. Немец О. Ф., Теренецкий К. О. Ядерные реакции. — К.: Вища Школа, 1977