Объединенные взаимодействия и нейтральные токи

На этих фотографиях, воспроизводящих треки частиц в пузырьковой камере, зафиксирован важнейший экспериментальный результат, возможно открывающий путь к "Великому объединению", к которому стремятся физики, начиная с Джеймса Клерка Максвелла. Под "объединением" понимается теория, которая позволила бы установить общую первопричину. фундаментальных сил природы, - теория, которая могла бы, например, свести две считающиеся различными силы к двум проявлениям одного и того же взаимодействия. А под "Великим объединением" понимается сведение воедино всех четырех известных взаимодействий: сильных ядерных, электромагнитных, слабых ядерных и гравитационных.

Сильные ядерные взаимодействия связывают частицы в атомном ядре, слабые взаимодействия ответственны за такие процессы, как бета-распад радиоактивного элемента. Согласно современным представлениям, эти взаимодействия осуществляются путем обмена частицами-посредниками. Чем тяжелее такая частица, тем меньше радиус соответствующего взаимодействия и тем большую энергию должен иметь ускоритель, чтобы обнаружить частицу. Электромагнитные взаимодействия осуществляются через фотоны, масса покоя которых равна нулю. Сильные ядерные взаимодействия, действующие на расстояниях порядка размера атома, осуществляются посредством мезонов, масса которых в 275 раз (пи-мезон) и более превышает массу электрона. Другие мезоны, а именно недавно (1983) открытые в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований) промежуточные векторные бозоны, масса которых в 80-90 раз превосходит массу протона и в 150 тыс. раз - массу электрона, передают слабые ядерные взаимодействия; радиус их действия в 1000 раз меньше, чем сильных взаимодействий.

Несмотря на оппозицию со стороны многих физиков, в 1956-1958 гг. Абдус Салам и Джон Уорд, а также независимо от них Шелдон Глэшоу развили гипотезу о том, что переносчиками слабого взаимодействия являются три частицы: два электрически заряженных бозона W⁺ и W^- и электрически нейтральный бозон, или "тяжелый фотон", Z0. При достаточно высоких энергиях (выше 100 ГэВ) различие между электромагнитными и слабыми взаимодействиями исчезает, и тогда их можно рассматривать как единое электрослабое взаимодействие. Теория развивалась и совершенствовалась и благодаря работам Салама и Уорда, а также независимо от них - Стивена Вайнберга к 1965 г. приняла окончательную форму.

Объединенные взаимодействия и нейтральные токи

Затем были предприняты первые экспериментальные проверки объединенной теории электрослабых взаимодействий. Несмотря на очень малую вероятность реакции, удается наблюдать нейтрино, рассеянные на нуклонах (протонах или нейтронах) или на электронах через невидимое посредничество тяжелой 2°-частицы. Реакции, осуществляемые за счет обмена нейтральным бозоном, получили название нейтральных токов. Слабые взаимодействия, в которых участвуют заряженные бозоны, были известны уже более полувека, хотя их и не называли таковыми; однако не было экспериментальных свидетельств реакций, протекающих посредством обмена нейтральными переносчиками взаимодействия. Если бы гипотеза подтвердилась, нейтральные токи можно было считать первым новым типом взаимодействия, открытым за долгую историю ядерной физики.

Октябрь 1971 г. ЦЕРН, Женева. Коллектив ученых, представляющих научные организации Бельгии, Швейцарии, ФРГ, Франции, Италии, Великобритании Пузырьковая камера. 'Гаргамель', протонный синхротрон; освещение - 21 лампа- вспышка (100 Дж). Пленка 'Кодак Плас-Икс'. 1 мс (продолжительность вспышки). П. Мюссе, ЦЕРН, Женева (137); Д. Дэвис, Университетский колледж, Лондон (136). [132, 133, 205, 245]

Открытие нейтральных токов было сделано в ЦЕРНе. Пучок нейтрино направлялся в гигантскую пузырьковую камеру "Гаргамель", где заряженные частицы, возникающие при взаимодействиях, оставляют следы в виде пузырьков в перегретой тяжелой жидкости (в данном случае фреоне CF₃Br). Давление в камере резко снижается, жидкость вскипает, и первые пузырьки появляются вдоль треков частиц. Камера оснащена импульсными источниками света, а восемь фотоаппаратов, установленных в различных местах снаружи камеры, делают снимки. Затем фреон вновь сжимается - камера готова для нового цикла.

Здесь приводятся две фотографии, сыгравшие ключевую роль в открытии. Сначала был опубликован снимок, помещенный внизу, где изображено упругое рассеяние антинейтрино на электроне без обмена зарядом. В поисках интересующей реакции с равным успехом можно использовать как нейтрино, так и антинейтрино. Из 375 тыс. снимков, просмотренных исследователями, только на этом было зарегистрировано нужное явление. Здесь антинейтрино (приходящее слева) остается невидимым, поскольку не имеет электрического заряда. Однако его присутствие обнаруживается появлением электрона, который движется в том же направлении, что и нейтринный пучок. В том, что частица является именно электроном, можно убедиться по искривлению ее траектории во внешнем магнитном поле и характерной спирали. В статье, опубликованной три года спустя, убедительно доказывалось, что эта фотография подтверждает существование нейтральных токов.

Снимок, помещенный вверху, был сделан примерно в то же время, что и первый; он послужил основой для статьи, на которую обычно ссылаются как на первоисточник открытия. Здесь нейтрино (пучок нейтрино вновь направлен слева направо) взаимодействует с нейтроном, в результате чего появляется отрицательный пион (трек вверху), который, взаимодействуя, приводит к образованию гамма-кванта и протона (трек внизу: длинная дуга, утолщающаяся в результате торможения частицы в плотной жидкости). Отсутствие вторичного электрона или мюона указывает на то, что реакция обусловлена нейтральными токами.