Исследования электромагнитных, сильных (ядерных) и слабых взаимодействий элементарных частиц

Ядерные свойства света (распад фи-ноль-мезона на электрон-позитронную пару)

Советские ученые из Объединенного института ядерных исследований доктора физико-математических наук М. Н. Хачатурян, А. М. Балдин и И. В. Чувило, кандидат технических наук А. Т. Матюшин, кандидаты физико-математических наук М. А. Азимов, В. С. Пантуев и М. С. Хвастунов, сотрудники института Р. Г. Астватацуров, Л. И. Журавлева, В. И. Иванов и В. Т. Матюшин и чехословацкий ученый кандидат физико-математических наук Я. Гладки совместно с сотрудниками Физического института АН СССР имени П. Н. Лебедева кандидатами физико-математических наук А. С. Белоусовым и Л. Н. Штарковым впервые в мире экспериментально установили распад фи-ноль-мезона на электрон-позитронную пару, подтвердив предсказанное теоретиками взаимное превращение друг в друга ядерных частиц и фотонов.

Сравнительно недавно физики сочли бы бессмысленным такое утверждение. Примерно 10-12 лет назад возникла теория, пользуясь которой можно объяснить тайны тех глубинных областей строения материи, к которым испытанные методы квантовой электродинамики Максвелла - Дирака неприменимы. Предполагалось, что новые частицы, названные векторными мезонами, должны играть в сильных ядерных взаимодействиях столь же существенную роль, что и фотоны в электромагнитных взаимодействиях. Наиболее удивительным в этой теории, как мы уже говорили, было утверждение о взаимном превращении друг в друга фотонов и векторных мезонов. Однако смелые предположения, основанные на математических расчетах, требовали экспериментального подтверждения. Крупнейшие лаборатории мира на протяжении ряда лет пытались обнаружить такого рода превращение.

Открытие взаимодействия электромагнитных и ядерных сил стало возможным благодаря изобретенному М. Н. Хачатуряном и его товарищами уникальному устройству для регистрации фотонов и электронов высокой энергии. Создав необычайно чувствительную электронную аппаратуру, составной частью которой были гамма-спектрометры, основанные на действии эффекта Черепкова - Вавилова, ученые экспериментально доказали, что фи-мезоны превращаются в фотоны, а последние образуют пару из электрона и позитрона. Более того, удалось оценить количественные параметры этих превращений, при которых масштабы времени определяются долями секунды в 10^-23.

Была измерена масса частиц, живущих в сотни тысяч раз меньше, чем одна миллиардная часть от одной миллиардной доли секунды. Известные классические методы исследования оказались здесь непригодны. Сложнейшая задача была решена путем прямого определения массы частицы по продуктам ее распада. Экспериментально доказав взаимное превращение друг в друга ядерных частиц и фотонов, можно было установить ядерные свойства фотонов, т. е. ядерные свойства света.

Величина вероятности перехода "фотон - векторный мезон" определяет точную границу применимости существующей теории квантовой электродинамики, описывающей процессы излучения, которые лежат в основе всей атомно-молекулярной физики. Учитывая измеренные в процессе эксперимента вероятности существования фотонов в виде векторных мезонов, теоретики рассчитали поправки к основным свойствам прежде всего атома водорода.

Обнаруженные ядерные свойства фотонов вызвали к жизни новое научное направление - теорию распространения фотонов в ядерном веществе. Многочисленные экспериментальные исследования процессов образования и распада векторных мезонов, проведенные в крупнейших лабораториях мира, показали, что при высоких энергиях взаимодействие фотонов с ядерными частицами полностью аналогично взаимодействию ядерных частиц между собой. Значит, открытый переход "фотон - векторный мезон" лежит в основе взаимодействия электромагнитного поля с ядерными частицами.

Ученые считают, что проявление электромагнитного и ядерного взаимодействий, узловым пунктом которого является переход "фотон - векторный мезон", скорее всего проявление единого фундаментального взаимодействия, теорию которого еще предстоит построить.

Открытие советских физиков получило широкое признание. Экспериментальное подтверждение его было осуществлено на встречных электрон-позитронных пучках в Институте ядерной физики Сибирского отделения АН СССР, а также в лаборатории линейного ускорителя электронов исследовательского центра в Орсэ (Франция).

Оно важно не только для уяснения законов ядерной физики, но и для диалектического понимания процессов, происходящих в глубинах материи, так как подтверждает диалектико-материалистическое положение о всеобщей связи и взаимообусловленности явлений природы.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 94 с приоритетом от февраля 1967 г. Формула открытия следующая:

"Экспериментально обнаружено неизвестное ранее явление распада фи-ноль-мезона на электрон-позитронную пару, указывающее на существование прямых переходов между фи-ноль-мезоном и гамма-квантом".

Явление образования и распада сверхтяжелого гелия - гелия-8

Кандидаты физико-математических наук Ю. А. Батусов, С. А. Бунятов, В. М. Сидоров (лаборатория ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований), член-корреспондент АН СССР В. И. Гольданскин (Институт химической физики АН СССР), академик Я. Б. Зельдович (Институт прикладной математики АН СССР), кандидаты физико-математических наук О. В. Ложкин и А. А. Римский-Корсаков (Радиевый институт имени В. Г. Хлопина) и кандидат физико-математических наук В. А. Ярба (Институт физики высоких энергий) открыли явление образования и распада сверхтяжелого гелия - гелия-8.

Установлено, что наибольшей устойчивостью обладают ядра, содержащие равное число протонов и нейтронов. Среди легких элементов это относится, в частности, к самому распространенному из изотопов гелия - гелию-4, состоящему из двух протонов и нейтронов, а также к кислороду О¹⁶, состоящему из возьми протонов и восьми нейтронов, и др.

В 1959-1960 гг. Я. Б. Зельдович и В. И. Гольданский теоретически предсказали существование сверхтяжелого гелия с атомным весом 8, с ядром, в состав которого входят два протона и шесть нейтронов. Такое ядро должно было быть "рекордным" среди всех ядер периодической системы Д. И. Менделеева - в нем каждый протон должен удерживать по три нейтрона.

Экспериментальное доказательство существования такого ядра стало важной проблемой для многих научных центров. В 1961 г. в Радиевом институте имени В. Г. Хлопина (Ленинград) О. В. Ложкин и А. А. Римский-Корсаков наблюдали в ядерной эмульсии, облученной протонами, два необычных следа ядерных частиц. Следы имели Т-образную форму и были подобны тем, какие оставляют в фотоэмульсии ядра лития-8, однако с заметно меньшей плотностью проявленных зерен.

В течение 1961-1965 гг. сообщения об успешном получении гелия-8 оказывались либо недостаточно надежными, либо просто ошибочными. Необходимы были прямые поиски гелия-8 с помощью трековых детекторов.

В октябре 1965 г. Ю. А. Батусов, С. А. Бунятов, В. М. Сидоров и В. А. Ярба в лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований зарегистрировали случай образования гелия-8 при захвате пи-мезона углеродом. В ядерной фотоэмульсии были зафиксированы следы гелия-8 и всех заряженных частиц от его распада, а также следы частиц, возникающих при образовании ядра.

Энергия, вносимая мезоном в ядро при захвате, была точно известна. Это масса покоя пи-мезона. Поэтому оказалось возможным провести кинематический анализ наблюдаемой реакции - проверкой энергоимпульсного баланса идентифицировать гелий-8 в самом акте образования и измерить его массу. Благодаря наблюдению в одном эксперименте одновременно акта рождения и акта распада впервые удалось доказать факт существования нуклоностабильного ядра гелия-8, состоящего из двух протонов и шести нейтронов. В дальнейших исследованиях в Дубне зарегистрированы и другие случаи образования гелия-8 в ядерных реакциях.

Обнаружение бета-радиоактивного ядра гелия-8 имеет большое значение прежде всего для определения границы устойчивости нейтроноизбыточных атомных ядер и исследований свойств ядер на границе устойчивости. В природе существует закономерность, согласно которой в стабильных легких ядрах число нейтронов примерно равно числу протонов. Отклонение от этой закономерности приводит к нестабильности атомных ядер. В ядре гелия-8 отношение нейтронов к протонам равно 3. В связи с этим возникает вопрос, не могут ли существовать другие ядра с таким же отношением или ядра, в которых вообще нет протонов, - так называемые нейтронные ядра.

На основе существования нуклоностабильного гелия-8 в астрофизике выдвинуты гипотезы об источниках солнечной энергии и о природе солнечных антинейтрино. По современным представлениям, в звездах и на Солнце происходит непрерывное превращение водорода в связанные нейтроны. В среде может существовать большое количество гелия-8. В результате бета-распада гелий-8 превращается в две альфа-частицы, при этом выделяется энергия, во много раз большая, чем при бета-распаде нейтрона. Поэтому гелий-8 может играть большую роль во всякого рода взрывных астрофизических явлениях. Значительная часть энергии распада гелия-8 уносится в виде энергии антинейтрино.

В настоящее время некоторые методы расчетов энергии связи нуклонов в легких ядрах предсказывают возможность существования еще более перегруженных нейтронами изотопов гелия, в частности гелия-10 и гелия-22. С точки зрения оболочной модели ядра такие ядра не могут быть устойчивыми. Эта модель предполагает, что для нейтронов выгодно состояние, когда они связаны попарно.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 119 в такой формулировке:

"Установлено ранее неизвестное явление образования и бета-распада нуклоностабильного ядра с наибольшим известным отношением числа нейтронов к числу протонов N/Z=3 на примере сверхтяжелого гелия - Не⁸".

Приоритет открытия установлен по двум датам: 22 октября 1959 г. (теоретическое обоснование существования гелия-8), 30 октября 1965 г. (экспериментальное доказательство существования нуклоностабильного ядра гелия-8).

Закономерность в энергетической зависимости полных сечении (серпуховские эффект)

Как известно, с 1967 г. под Серпуховом работает один из самых крупных в мире ускорителей протонов с энергией 70 млрд. эВ. Гигантский ускоритель дает возможность вести исследования ранее недоступных областей энергии. В последнее время работники Института физики высоких энергий провели на этом ускорителе ряд экспериментов, имеющих важное значение для понимания строения элементарных частиц и законов их взаимодействия.

Коллектив ученых Института физики высоких энергий, куда вошли член-корреспондент АН СССР Ю. Д. Прокошкин, доктор физико-математических наук С. П. Денисов, кандидаты физико-математических наук Р. С. Шувалов, Ю. П. Горин и Д. А. Стоянова и научные сотрудники Ю. Б. Бушнин, Ю. П. Дмитриевский, С. В. Донское, А. И. Петрухин и В. С. Селезнев, открыл закономерность в энергетической зависимости полных сечений. Проведение полных сечений взаимодействий адронов в области высоких энергий - одна из фундаментальных проблем ядерной физики. Открытие советских ученых заставило пересмотреть ряд важных положений современной теории сильных взаимодействий.

"На основе экспериментов, проведенных ранее, - рассказывает академик А. А. Логунов, - в науке прочно сложилось следующее представление о взаимодействии частиц. Если частицы высокой энергии пролетают относительно друг друга на расстояниях, меньших радиуса сильных взаимодействий, то при этом происходит их столкновение, в результате которого в большинстве случаев рождаются новые частицы. Считалось, что в этом процессе происходит нечто вроде взаимного полного поглощения столкнувшихся частиц, и они преобразуются в другие частицы. Иначе говоря, в области действия ядерных сил частицы высокой энергии не могут свободно пролетать мимо друг друга. Каждая частица как бы непрозрачна для другой.

Что же касается частиц, пролетающих на расстояниях, несколько больших радиуса действия ядерных сил, то они отклоняются от направления своего первоначального движения наподобие волн, огибающих препятствия.

Таким образом, при взаимодействии частиц высокой энергии либо изменяется направление их первоначального движения, либо рождаются новые частицы.

У каждой пары частиц как бы свой радиус действия ядерных сил. Поэтому условно можно говорить об определенной площади (сечении), на которой эти силы проявляются. Представим одну частицу в виде мишени, а другую как летящую в нее пулю. Чтобы две частицы вступили во взаимодействие, "пуля" должна попасть в "площадку". В свою очередь, размер "площадки" зависит от энергии "пули", т. е. частицы, разогнанной в ускорителе. При столкновении частиц происходят разнообразные процессы. Физикам очень важно знать их интенсивность. Измеряется она особой величиной, которая нссит название полного эффективного сечения рассеяния. Fe экспериментальное измерение дает важную информацию о характере ядерных взаимодействий частиц.

Такие эксперименты и проводились на Серпуховском ускорителе. От других подобных исследований они отличаются тем, что здесь ученые имели дело с частицами, обладающими энергиями, которые раньше были им недоступны. Для этого потребовалось создать уникальную установку, позволившую надежно выделять частицы строго определенного сорта в пучках очень больших энергий и проводить исследования с высочайшей точностью.

Опыты, выполненные на прежних ускорителях с энергиями вплоть до 30 млрд. эВ, показали, что полные эффективные сечения отрицательно заряженных пи- и ка-мезонов на протонах уменьшались с ростом энергии. Эти данные хорошо объяснялись с точки зрения существовавших теоретических представлений. Многие ожидали поэтому, что опыты в Серпухове просто подтвердят эту закономерность.

Однако результаты экспериментов, совместно проведенных группой ученых Института физики высоких энергий и Европейской ассоциации ядерных исследований (ЦЕРН), оказались неожиданными. Было установлено, что эффективные сечения отрицательных пи- и ка-мезонов, начиная с энергий 30-35 млрд. эВ, перестают уменьшаться и становятся практически постоянными. Открытие указанной закономерности - серпуховского эффекта, как ее назвали, вызвало подлинную сенсацию и оказало большое влияние на формирование современных представлений о характере взаимодействий частиц в области высоких энергий.

Еще более неожиданным оказалось поведение полного эффективного сечения рассеяния положительных ка-мезонов. Измерения, выполненные с помощью ускорителей меньших энергий, свидетельствовали, что эффективное сечение расстояния положительных ка-мезонов на протонах остается постоянным и не меняется с энергией. Существовала уверенность, что такая картина сохранится и при более высоких энергиях. Тем не менее эксперименты в Институте физики высоких энергий продемонстрировали, что эффективное сечение рассеяния положительных ка-мезонов, начиная с энергии около 20 млрд. эВ, растет, приближаясь к постоянному значению эффективного сечения отрицательных ка-мезонов. Таким образом, обнаружено, что в области энергий Серпуховского ускорителя происходит изменение характера сильного взаимодействия частиц.

Группа ученых провела также исследования по рассеянию протонов на малые углы. Успех этого сложнейшего опыта стал возможен благодаря оригинальной, никогда ранее не применявшейся методике, предложенной физиками Дубны. В результате удалось сделать вывод фундаментальной важности: радиус действия ядерных сил в области энергий Серпуховского ускорителя растет с увеличением энергии сталкивающихся частиц. Другими словами, установлено, что частицы при увеличении их энергии способны взаимодействовать на гораздо больших расстояниях, чем предполагалось раньше.

Такой вывод в корне противоречит первоначальному представлению о природе ядерных сил, согласно которому считалось, что взаимодействие переносится отдельными частицами и имеет постоянный, не зависящий от энергии радиус действия.

Результаты всех этих исследований имеют важное значение для формирования современных представлений о природе элементарных частиц и характере их взаимодействий при высоких энергиях. Рост радиуса действия ядерных сил между протонами, казалось, должен был приводить при столкновении к увеличению интенсивности процессов образования частиц и их большому рассеянию, т. е. к увеличению полного эффективного сечения. Тот факт, что измеренные на Серпуховском ускорителе полные эффективные сечения протонов, несмотря на рост радиуса действия ядерных сил, остаются постоянными, свидетельствует, что с ростом энергии частица становится как бы более прозрачной для прохождения через нее другой частицы. Иными словами, при высоких энергиях не происходит полного взаимного поглощения частиц внутри радиуса действия ядерных ,сил и частицы как бы приобретают способность просачиваться друг через друга. Это явление существенно меняет установленную ранее картину взаимодействия частиц".

Описанное открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 137 с приоритетом от 24 мая 1971 г. в следующей формулировке:

"Экспериментально установлена ранее ньазвестная закономерность в энергетической зависимости сечений сильных взаимодействий, заключающаяся в том, что полные сечения взаимодействия протонов ±n и к^- -мезонов с нуклонами перестают уменьшаться в диапазоне энергий 25-65 гэВ, а полные сечения взаимодействия к+-мезонов с нуклонами начинают возрастать с увеличением энергии".

Закон сохранения векторного тока о слабых взаимодействиях элементарных частиц

Коллектив ученых Института физики высоких энергий, в который вошли член-корреспондент АН СССР Ю. Д. Прокошкин, доктор физико-математических наук С. С. Герштейн, кандидаты физико-математических наук А. Ф. Дунайцев и В. И. Рыкалин, совместно с академиком Я. Б. Зельдовичем (Институт прикладной математики АН СССР) и кандидатом физико-математических наук В. И. Петрухиным (Объединенный институт ядерных исследований) установили одну из важнейших закономерностей универсального слабого взаимодействия частиц. Наряду с гравитационным, электромагнитным и сильным взаимодействием его можно считать проявлением фундаментальных сил природы.

Существование специального слабого взаимодействия обнаружил в 1934 г. Э. Ферми, изучая бета-распад атомных ядер. Однако только теперь удалось открыть и теоретически обосновать закон универсального слабого взаимодействия - сохранения векторного тока - и экспериментально установить существование нового, ранее неизвестного явления бета-распада положительного пи-мезона, величина вероятности которого подтвердила закон сохранения векторного тока.

Открытие закона сохранения векторного тока эквивалентно установлению особого типа фундаментального заряда слабого взаимодействия, аналогичного электрическому заряду в электромагнитных силах.

Открытие советских ученых внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 135 с приоритетом от 8 июня 1955 г. (теоретическое обоснование) и от 12 апреля 1962 г. (экспериментальное подтверждение). Формула открытия такова:

"Установлен неизвестный ранее закон сохранения слабого векторного тока элементарных частиц - адронов, подтвержденный экспериментально обнаружением и измерением вероятности бета-распада положительно заряженного пи-мезона".

Явление несохранения пространственной четности в ядерных электромагнитных переходах

Доктора физико-математических наук Ю. Г. Абов и П. А. Крупчицкий и инженер Ю. А. Оратовский (Институт теоретической и экспериментальной физики) опытным путем установили явление несохранения пространственной четности в ядерных электромагнитных переходах.

Раньше считалось, что в ядре проявляются только два типа взаимодействий - сильное и электромагнитное. Авторы открытия установили существование в ядре и слабого взаимодействия, которое было обнаружено в процессах распада элементарных частиц.

"Само название "слабое", - рассказывает П. А. Крупчицкий, - говорит о том, что интенсивность его меньше, чем у сильного и электромагнитного взаимодействий. Однако слабое взаимодействие отличается от других уникальной особенностью. Она заключается в том, что во всех процессах, за которые ответственно слабое взаимодействие, отсутствует так называемая зеркальная симметрия.

Человек с детства привыкает к симметрии левого и правого в строении собственного тела и тела животных. Это и есть зеркальная симметрия (при отражении в зеркале левая и правая стороны меняются местами). Зеркальная симметрия означает одинаковость левого и правого. В квантовой механике понятию зеркальной симметрии соответствует понятие пространственной четности. В 1956 г. было обнаружено, что в процессах распада элементарных частиц, за которые ответственно слабое взаимодействие, зеркальная симметрия отсутствует. Левое и правое в них не эквивалентны. Пространственная четность в этих процессах не сохраняется.

Стало ясно, что можно решить вопрос об установлении между ядерными частицами слабого взаимодействия наряду с сильным и электромагнитным, воспользовавшись уникальным свойством слабого взаимодействия - несохранением пространственной четности. Однако оценка экспериментальных эффектов первоначально была неутешительной. И лишь после того как нашли процессы, в которых можно было ожидать усиления эффектов, вызванных слабым взаимодействием, искомое явление обнаружили.

Нам удалось измерить асимметрию излучения, испускаемой ядрами кадмия-114 после захвата ими поляризованных нейтррнов. Опыт был поставлен на тяжеловодном реакторе, где были впервые в СССР созданы интенсивные пучки поляризованных нейтронов".

Своими исследованиями советские ученые на несколько лет опередили зарубежных. Работы по измерению асимметрии излучения способствовали проведению аналогичных экспериментов во многих научных центрах мира. Зарубежным ученым удалось достигнуть эквивалентной точности, применяя методы, предложенные авторами открытия. За разработку проблемы на основе сделанного открытия его авторы и другие советские физики в 1974 г. были удостоены Ленинской премии.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 178 с приоритетом от 2 июля 1964 г. в следующей формулировке:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление несохранения пространственной четности в ядерных электромагнитных переходах, обусловленное слабым нуклон-нуклонным взаимодействием, приводящим к асимметричному относительно направления поляризации испусканию гамма-квантов поляризованными ядрами".