12.4. Енергія релятивістської частки

12.4.1. Енергія релятивістської частки

Повна енергіярелятивістської частки складається з енергії спокою релятивістської частки та її кінетичної енергії:

E = E 0 + T,

Еквівалентність маси та енергії(Формула Ейнштейна) дозволяє визначити енергію спокою релятивістської частки та її повну енергію наступним чином:

• енергія спокою -

E 0 = m 0 c 2

де m 0 - маса спокою релятивістської частки (маса частки у власній системі відліку); c - швидкість світла у вакуумі, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 м/с;

• повна енергія -

E = mc 2

де m - маса частинки, що рухається (маса частинки, що рухається щодо спостерігача з релятивістською швидкістю v ); c - швидкість світла у вакуумі, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 м/с.

Зв'язок між масами m 0 (маса частинки, що покоїться) і m (маса частинки, що рухається) визначається виразом

Кінетична енергіярелятивістської частки визначається різницею:

T = E − E 0 ,

де E - повна енергія частинки, що рухається, E = mc 2 ; E 0 - Енергія спокою зазначеної частинки, E 0 = m 0 c 2 ; маси m 0 і m пов'язані формулою

m = m 0 1 − v 2 c 2 ,

де m 0 - маса частинки в тій системі відліку, щодо якої частка спочиває; m - маса частинки в тій системі відліку, щодо якої частка рухається зі швидкістю v; c - швидкість світла у вакуумі, c ≈ 3,0 ⋅ 10 8 м/с.

У явному вигляді кінетична енергіярелятивістської частки визначається формулою

T = m c 2 − m 0 c 2 = m 0 c 2 (1 1 − v 2 c 2 − 1) .

Приклад 6. Швидкість релятивістської частки становить 80% швидкості світла. Визначити, у скільки разів повна енергія частки більша за її кінетичну енергію.

Рішення . Повна енергія релятивістської частки складається з енергії спокою релятивістської частки та її кінетичної енергії:

E = E 0 + T,

де E - повна енергія частинки, що рухається; E 0 – енергія спокою зазначеної частинки; T – її кінетична енергія.

Звідси випливає, що кінетична енергія є різницею

T = E − E 0 .

Шуканою величиною є відношення

E T = E E − E 0 .

Для спрощення розрахунків знайдемо величину, обернену до шуканої:

T E = E − E 0 E = 1 − E 0 E ,

де E 0 = m 0 c 2; E = mc 2; m 0 – маса спокою; m - маса частинки, що рухається; c - швидкість світла у вакуумі.

Підстановка виразів для E 0 і E у відношенні (T/E) дає

T E = 1 − m 0 c 2 m c 2 = 1 − m 0 m.

Зв'язок між масами m 0 та m визначається формулою

m = m 0 1 − v 2 c 2 ,

де v - швидкість релятивістської частки, v = 0,80c.

Висловимо звідси відношення мас:

m 0 m = 1 − v 2 c 2

і підставимо його в (T/E):

T E = 1 − 1 − v 2 c 2 .

Розрахуємо:

T E = 1 − 1 − (0,80 c) 2 c 2 = 1 − 0,6 = 0,4 .

Шуканою величиною є зворотне ставлення

E T = 1 0,4 = 2,5.

Повна енергія релятивістської частки за зазначеної швидкості перевищує її кінетичну енергію в 2,5 рази.

Сторінка 1

Максимальна енергія частинок у генераторі Ван-де - Граафа, як і у будь-якому прискорювачі прямої дії, обмежена напругою пробою між кулею та навколишніми предметами. Навіть за найретельніших застережень у існуючих установках напруга пробою не вдається піднімати понад десять мільйонів вольт.

Обчислимо максимальну енергію частки. p align="justify"> Коефіцієнт V2 при амплітудному значенні EQ поля виходить тому, що обчислюється середнє значення поля за напівперіод коливань.

Обчислимо максимальну енергію частки. Коефіцієнт 1/2 при амплітудному значенні Е0 поля виходить тому, що обчислюється середнє значення поля за напівперіод коливань.

Обчислимо максимальну енергію частки.

Величину W, рівну максимальної енергії частинок при Г0 К, називають нергетичним рівнем Фермі або просто рівнем Фермі.

Втрати енергії космічними променями обмежують максимальну енергію частинок, що становлять космічні промені; це обмеження залежить від віку частки. У період 1969 – 1971 рр. ракетні досліди давали у 20 - 100 разів підвищену повну щільність реліктового випромінювання.

Тритій - це чистий (3-випромінювач з максимальною енергією частинок 18 61 002 кеВ та періодом напіврозпаду 12 43 роки).

Магнітне волі у циклотроні досягає десятків тисяч ерстед, радіус камери – кілька метрів, максимальна енергія частинок – до 107 ев. Ця енергія порівняно невелика, хоча в перших експериментах з розщеплення ядер вважалася достатньою. Велика енергія на циклотроні не може бути досягнута: як випливає з теорії відносності, збільшується зі швидкістю маса частинок, через що під час руху зменшується частота їхнього обігу.

Специфічність дії випромінювання тритію визначається величиною пробігу його 3-часток. Максимальна енергія частинок у р-спектрі тритію відповідає пробігу в речовині близько 6 мкм, при густині речовини 1 г/см3, причому 90 % енергії випромінювання витрачається на відстані близько 0 5 мкм від джерела. Остання обставина виявляється виключно важливою, оскільки поглинання випромінювання тритію відбувається на відстані порядку розмірів живої клітини, на відміну від таких р-випромінювачів, як фосфор-32 або ітрій-90, випромінювання яких поглинається органом, що опромінюється. У цьому важливо враховувати і внутрішньоклітинну локалізацію тритію, оскільки радіочутливість субклітинних одиниць сильно відрізняється.

Колеман [31, 851 застосував одиночний резонатор, в якому за допомогою двох магнетронів через незалежні отвори зв'язку збуджуються коливання виду ТМ010 з частотою 28 Гщ. При загальній вхідній потужності 800 кет максимальна енергія частинок становить 1 5 Мев, Для інжектування електронів в резонатор, що прискорює, з необхідною швидкістю і потрібним зрушенням фаз, що забезпечить високу енергію на виході, застосовується резонатор для попереднього групування. Послідовні електроди з'єднані з дільником на опорах, тому їх потенціали розподілені за параболічним законом.

З точки зору генерації нових частинок особливо ефективними є прискорювачі із зустрічними пучками (VI.5.4.3, VI.5.3.4), в яких стикаються частинки з нульовим сумарним імпульсом. Завдяки цьому вся їхня кінетична енергія може бути перетворена в енергію спокою часток, що народжуються, сумарний імпульс яких також дорівнює нулю. Це вже дуже близько до максимальної енергії частинок космічного випромінювання.

Бета-частки, що вилітають з атомних ядерз всілякими початковими енергіями (від нульової і до деякої максимальної), мають різні пробіги в речовині. Проникаючу здатність бета-частинок різних радіоактивних ізотопів зазвичай характеризують мінімальною товщиною шару речовини, що порожниною поглинає всі бета-частинки. Наприклад, від потоку бета-часток з максимальною енергією частинок, що дорівнює 2 МеВ, порожнистістю захищає шар глюміії товщиною 3 5 мм. Альфа-частинки, що мають значно більшу масу, ніж бета-частинки, при зіткненнях з електронами атомних оболонок відчувають дуже невеликі відхилення від початкового напрямку руху і рухаються майже прямолінійно.

У останні рокиряд важливих відкриттів у ядерній фізиці було зроблено завдяки широкому застосуваннюметоду товстошарових пластинок (стор. Практика показала, що цей метод поєднує в собі надзвичайну простоту і велику точність дослідження. Фотопластинки, що піднімаються на кулях-зондах і ракетах у верхні шари атмосфери, дозволяють вивчати ядерні перетворення, викликані частинками космічних променів з енергією. разів, що перевищують максимальну енергію частинок, прискорених у лабораторних умовах, водночас фотопластинки придатні також і для реєстрації частинок невеликої енергії.

16 липня 2015 о 00:57

Запитайте Ітана №14: Найвищі енергетичні частки Всесвіту

• Науково-популярне ,
• Фізика

• Переклад

Результати моїх спостережень найкраще пояснює припущення, що випромінювання величезної енергії, що проникає, входить у нашу атмосферу зверху.
- Віктор Хесс

Ви можете думати, що найпотужніші прискорювачі частинок – SLAC, Fermilab, ВАК – джерела найвищих енергій, які ми зможемо побачити. Але все, що ми намагаємося зробити на землі, не входить у жодне порівняння з природними процесамиВсесвіту.

Читач запитує:

З того часу, як я почав у дитинстві читати комікси про «Фантастичну четвірку», мені захотілося більше дізнатися про космічні промені. Чи можете ви допомогти мені в цьому?

Давайте подивимося.

Ще до того, як Юрій Гагарін зміг відірватися від поверхні нашої планети, було відомо, що там, за межами захисту атмосфери, космос наповнений високоенергетичним випромінюванням. Як ми дізналися про це?

Перші підозри зародилися під час найпростіших експериментів із електроскопом.

Якщо ви додасте електричний заряд до такого пристрою, в якому два металеві листочки з'єднані один з одним – вони отримають однаковий заряд і будуть відштовхуватися. Можна було б очікувати, що згодом заряд піде в навколишнє повітря – тому вам може спасти на думку ізолювати пристрій, наприклад, створивши навколо нього вакуум.

Але й у цьому випадку електроскоп розряджається. Навіть якщо ви ізолюєте його за допомогою свинцю, він все одно розрядиться. Як з'ясували експериментатори на початку 20-го століття, чим вище ви піднімете електроскоп, тим швидше він буде розряджатися. Декілька вчених висунули гіпотезу - розряд відбувається через високоенергетичного випромінювання. Воно має високу проникаючу енергію та походження за межами Землі.

У науці прийнято перевіряти гіпотези. У 1912 році Віктор Хесс провів експеримент із повітряною кулею, в якій він намагався знайти ці високоенергетичні космічні частки. І знайшов їх удосталь, ставши батьком космічних променів.

Ранні детектори були напрочуд прості. Ви налаштовуєте особливу емульсію, яка відчуває проходження заряджених частинок через неї, і поміщаєте все це в магнітне поле. Коли через це проходять частки, ви можете дізнатися дві важливі речі:

• відношення заряду до маси частки
• та її швидкість

які залежать від того, як згинається шлях частинки. Це можна розрахувати, якщо знати силу прикладеного магнітного поля.

У 1930-х роках кілька експериментів, як із ранніми наземними прискорювачами, так і з детекторами космічних променів, видали багато дуже цікавої інформації. Наприклад, більшість частинок космічного випромінювання (90%) мала різні рівні енергії - від кількох мегаэлектровольт, до таких високих енергій, які ви тільки могли виміряти! Більшість решти була альфа-частинками, або ядрами гелію з двома протонами і нейтронами, з такими ж рівнями енергії.

Коли ці космічні промені зустрічаються з верхньою частиною земної атмосфери, вони взаємодіють з нею, і породжують каскадні реакції, які створюють дощ високоенергетичних частинок, включаючи дві нові: позитрон, про існування якого висунув гіпотезу в 1930 Дірак. Це двійник електрона зі світу антиматерії, тієї ж маси, але з позитивним зарядом, і мюон - нестабільна частка з таким же зарядом, як електрон, але у 206 разів важчий. Позитрон був відкритий Карлом Андерсеном у 1932, а мюон – ним та його студентом Сетом Неддермайєром у 1936, але перший позитрон був відкритий Полом Кюнзе кількома роками раніше, про що історія чомусь забула.

Дивна річ: якщо ви витягнете свою руку паралельно землі, то кожну секунду через неї проходитиме приблизно 1 мюон.

Кожен мюон, що проходить через вашу руку, народжується в дощі космічних променів і кожен із них підтверджує спеціальну теорію відносності! Як бачите, ці мюони створюються на висоті близько 100 км, але середній час життя мюона становить близько 2,2 мікросекунди. Навіть якби вони рухалися зі швидкістю світла, їм вдалося пройти не більше 660 метрів перед розпадом. Але через спотворення часу, через те, що час частинки, що рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла, сповільнюється з точки зору нерухомого спостерігача, ці мюони, що швидко рухаються, можуть пройти весь шлях до поверхні землі перед своїм розпадом.

Якщо ми перенесемося сьогодні, то з'ясується, що ми точно виміряли як кількість, так і енергетичний спектр цих космічних частинок.

Частинки енергії близько 100 ГеВ зустрічаються найчастіше, і приблизно 1 така частка проходить через квадратний метрповерхні Землі кожну секунду. І, хоча існують частки більшої енергії, вони зустрічаються набагато рідше – тим рідше, чим більше ми візьмемо енергію. Наприклад, якщо взяти енергію 1016 еВ, то такі частинки проходитимуть через квадратний метр лише раз на рік. А найбільш високоенергетичні частинки з енергією 5 × 10 10 ГеВ (або 5 × 10 19 еВ) щорічно пройдуть через детектор зі стороною 10 км.

Така ідея виглядає досить дивно - і все ж, для її здійснення є резон: має бути обмеження енергії космічних променів і обмеження швидкості протонів у Всесвіті! Обмеження енергії, яку ми можемо надати протону, може й не бути: можна прискорювати заряджені частинки, використовуючи магнітні поля, і найбільші та найактивніші чорні діри у Всесвіті можуть розігнати протони до енергій, набагато більших, ніж ми спостерігали.

Але вони повинні подорожувати Всесвітом, щоб дістатися до нас, а Всесвіт заповнений великою кількістю холодного, низькоенергетичного випромінювання – фоновим космічним випромінюванням.

Високоенергетичні частинки створюються тільки в районах знаходження найпотужніших і найактивніших чорних дірок у Всесвіті, а всі вони знаходяться дуже далеко від нашої галактики. І якщо виникне частка з енергією, що перевищує 5 × 10 10 ГеВ, вона зможе пройти не більше кількох мільйонів світлових років, поки один із фотонів, що залишилися від Великого вибуху, не провзаємодіє з нею, отримавши півонія. Надмірна енергія буде випромінювана, а енергія, що залишилася, впаде до обмеження космічної енергії, відомого, як Межа Грайзена - Зацепіна - Кузьміна.

Тому ми зробили те єдине, що здається фізикам розумним: побудували нереально величезний детектор і почали шукати частинки!

Обсерваторія ім. Ось займається саме цим: підтверджує, що існують космічні промені, що досягають, але не долають це енергетичне обмеження, що в 10 мільйонів разів перевищує енергії, що досягаються на ВАК! Це означає, що найшвидші протони, які ми тільки зустрічали, рухаються майже зі швидкістю світла (яка становить рівно 299,792,458 м/с), але трохи повільніше. Але наскільки повільнішим?

Найшвидші протони, що знаходяться якраз на межі обмеження, рухаються зі швидкістю 299 792 457,999999999999918 метрів за секунду. Якщо ви запустите такий протон і фотон до

Борис Аркадійович Хренов,
доктор фізико-математичних наук, Науково-дослідний інститут ядерної фізики ім. Д. В. Скобельцина МДУ ім. М. В. Ломоносова
«Наука та життя» №10, 2008

Пройшло майже сто років з того моменту, як були відкриті космічні промені - потоки заряджених частинок, що приходять з глибин Всесвіту. З того часу зроблено багато відкриттів, пов'язаних із космічними випромінюваннями, але й загадок залишається ще чимало. Одна з них, можливо, найбільш інтригуюча: звідки беруться частки з енергією понад 10 20 еВ, тобто майже мільярд трильйонів електронвольт, у мільйон разів більший, ніж буде отримано у найпотужнішому прискорювачі – Великому адронному колайдері? Які сили та поля розганяють частки до таких жахливих енергій?

Космічні промені відкрив 1912 року австрійський фізик Віктор Гесс. Він був співробітником Радієвого інституту Відня та проводив дослідження іонізованих газів. До того часу вже знали, що всі гази (і атмосфера в тому числі) завжди злегка іонізовані, що свідчило про присутність радіоактивної речовини (подібної до радію) або у складі газу, або поблизу приладу, що вимірює іонізацію, найімовірніше - у земній корі. Досліди з підйомом детектора іонізації на повітряній кулібули задумані для перевірки цього припущення, оскільки з видаленням від землі іонізація газу має зменшуватися. Відповідь вийшла протилежною: Гесс виявив якесь випромінювання, інтенсивність якого зростала з висотою. Це наводило на думку, що воно приходить із космосу, але остаточно довести позаземне походженняпроменів вдалося лише після численних дослідів (Нобелівську премію В. Гессу присудили лише 1936 року). Нагадаємо, що термін «випромінювання» не означає, що ці промені мають суто електромагнітну природу (як сонячне світло, радіохвилі або рентгенівське випромінювання); його використовували при відкритті явища, природа якого ще була відома. І хоча незабаром з'ясувалося, що основний компонент космічних променів - прискорені заряджені частинки, протони, термін зберігся. Вивчення нового явища швидко почало давати результати, які прийнято відносити до «передового краю науки».

Відкриття космічних частинок дуже високої енергії відразу ж (ще задовго до того, як було створено прискорювач протонів), викликало питання: який механізм прискорення заряджених частинок в астрофізичних об'єктах? Сьогодні ми знаємо, що відповідь виявилася нетривіальною: природний, «космічний» прискорювач кардинально відрізняється від рукотворних прискорювачів.

Невдовзі з'ясувалося, що космічні протони, пролітаючи крізь речовину, взаємодіють із ядрами його атомів, народжуючи невідомі раніше нестабільні елементарні частинки (їх спостерігали насамперед у атмосфері Землі). Дослідження механізму їхнього народження відкрило плідний шлях для побудови систематики елементарних частинок. У лабораторії протони і електрони навчилися прискорювати й отримувати величезні їхні потоки, незрівнянно щільніші, ніж у космічних променях. Зрештою, саме досліди щодо взаємодії частинок, що отримали енергію в прискорювачах, призвели до створення сучасної картинимікросвіту.

У 1938 році французький фізик П'єр Оже відкрив чудове явище - зливи вторинних космічних частинок, що виникають внаслідок взаємодії первинних протонів та ядер екстремально високих енергій з ядрами атомів атмосфери. Виявилося, що в спектрі космічних променів є частинки з енергією порядку 10 15 -10 18 еВ - у мільйони разів більше енергії частинок, що прискорюються в лабораторії. Академік Дмитро Володимирович Скобельцин додав особливе значеннявивченню таких частинок і відразу після війни, в 1947 році, разом із найближчими колегами Г. Т. Зацепіним та Н. А. Добротіним організував комплексні дослідження каскадів вторинних частинок в атмосфері, названих широкими атмосферними зливами (ШАЛ). Історію перших досліджень космічних променів можна знайти в книгах М. Добротіна та В. Россі. Згодом школа Д.В. Скобельцина виросла в одну з найсильніших у світі та довгі рокивизначала основні напрями у вивченні космічних променів надвисоких енергій. Її методи дозволили розширити діапазон досліджуваних енергій від 10 9 -10 13 еВ, що реєструються на повітряних куляхта супутниках, до 10 13 -10 20 еВ. Особливо привабливими ці дослідження робили два аспекти.

По-перше, з'явилася можливість використовувати створені самою природою протони високої енергії вивчення їх взаємодії з ядрами атомів атмосфери і розшифровки найтоншої структури елементарних частинок.

По-друге, з'явилася можливість знайти у космосі об'єкти, здатні прискорити частки до екстремально високих енергій.

Перший аспект виявився настільки плідним, як хотілося: вивчення тонкої структури елементарних частинок зажадало набагато більше даних про взаємодії протонів, ніж дозволяють отримати космічні промені. Водночас важливий внесок у уявлення про мікросвіт дало вивчення залежності самих загальних характеристиквзаємодії протонів від своїх енергії. Саме при вивченні ШАЛ виявили особливість залежно від кількості вторинних частинок та їх розподілу по енергіях від енергії первинної частинки, пов'язану з кварк-глюонною структурою елементарних частинок. Ці дані пізніше підтвердилися у дослідах на прискорювачах.

Сьогодні побудовано достовірні моделі взаємодії космічних променів з ядрами атомів атмосфери, що дозволили вивчити енергетичний спектр і їх первинних частинок найвищих енергій. Стало ясно, що космічні промені в динаміці розвитку Галактики відіграють не меншу роль, ніж її поля та потоки міжзоряного газу: питома енергія космічних променів, газу та магнітного поля приблизно дорівнюють 1 еВ см 3 . При такому балансі енергії в міжзоряному середовищі природно припустити, що прискорення частинок космічних променів відбувається, швидше за все, у тих же об'єктах, які відповідають за нагрівання та викид газу, наприклад, у Нових та Наднових зірках під час їх вибуху.

Перший механізм прискорення космічних променів запропонував Енріко Фермі для протонів, що хаотично стикаються з намагніченими хмарами міжзоряної плазми, але не зміг пояснити всіх експериментальних даних. У 1977 році академік Гермоген Пилипович Кримський показав, що цей механізм має набагато сильніше прискорювати частки в залишках Наднових на фронтах ударних хвиль, швидкості яких на порядки вищі за швидкості хмар. Сьогодні достовірно показано, що механізм прискорення космічних протонів та ядер ударною хвилею в оболонках наднових найбільш ефективний. Але відтворити їх у лабораторних умовах навряд чи вдасться: прискорення відбувається порівняно повільно і потребує величезних витрат енергії утримання прискорених часток. В оболонках наднових ці умови існують завдяки самій природі вибуху. Чудово, що прискорення космічних променів відбувається в унікальному астрофізичному об'єкті, який відповідає за синтез важких ядер (важче гелію), які дійсно присутні в космічних променях.

У нашій Галактиці відомі кілька наднових віком менше тисячі років, які спостерігалися неозброєним оком. Найбільш відомі Крабовидна туманність у сузір'ї Тельця («Краб» - залишок спалаху Наднової у 1054 році, відзначеної у східних літописах), Кассіопея-А (її спостерігав у 1572 році астроном Тихо Браге) та Наднова Кеплера у сузір'ї18. Діаметри їх оболонок сьогодні становлять 5–10 світлових років (1 св. рік = 10 16 м), тобто вони розширюються зі швидкістю близько 0,01 швидкості світла і знаходяться на відстані приблизно десять тисяч світлових років від Землі. Оболонки Наднових («туманностей») в оптичному, радіо-, рентгенівському і гамма-діапазонах спостерігали космічні обсерваторії Чандра, Хаббл і Спітцер. Вони достовірно показали, що в оболонках дійсно відбувається прискорення електронів та протонів, що супроводжується рентгенівським випромінюванням.

Наповнити міжзоряний простір космічними променями з виміряною питомою енергією (~1 еВ см 3) могли б близько 60 залишків наднових молодше 2000 років, у той час як їх відомо менше десяти. Ця нестача пояснюється тим, що в площині Галактики, там, де зосереджені зірки і наднові в тому числі дуже багато пилу, який не пропускає світло до спостерігача на Землі. Спостереження в рентгенівському та гамма-випромінюваннях, для яких пиловий шар прозорий, дозволили розширити список «молодих» наднових оболонок. Останньою з таких новостворених оболонок стала Наднова G1.9+0.3, що спостерігається за допомогою рентгенівського телескопа «Чандра» починаючи з січня 2008 року. Оцінки розміру та швидкості розширення її оболонки показують, що вона спалахнула приблизно 140 років тому, але не була видна в оптичному діапазоні через повне поглинання її світла пиловим шаром Галактики.

До даних про Наднових, що вибухають у нашій Галактиці Чумацький шлях, додаються значно багатші статистичні дані про Наднових в інших галактиках. Прямим підтвердженням присутності прискорених протонів і ядер є гамма-випромінювання з високою енергією фотонів, що виникають в результаті розпаду нейтральних півонів - продуктів взаємодії протонів (і ядер) з речовиною джерела. Такі фотони найвищих енергій спостерігають за допомогою телескопів, що реєструють світіння Вавилова-Черенкова, що випромінюється вторинними частинками ШАЛ. Найдосконаліший інструмент такого типу - установка із шести телескопів, створена за співпраці HESS у Намібії. Гамма-випромінювання Краба було виміряно першим, і його інтенсивність стала мірою інтенсивності інших джерел.

Отриманий результат не лише підтверджує наявність механізму прискорення протонів та ядер у Надновій, але й дозволяє також оцінити спектр прискорених частинок: спектри «вторинних» гамма-квантів та «первинних» протонів та ядер дуже близькі. Магнітне поле Крабі та його розмір допускають прискорення протонів до енергій порядку 10 15 эВ. Спектри частинок космічних променів у джерелі та в міжзоряному середовищі дещо відрізняються, тому що ймовірність виходу частинок із джерела та час життя частинок у Галактиці залежать від енергії та заряду частинки. Порівняння енергетичного спектру та складу космічних променів, виміряних у Землі, зі спектром та складом у джерелі дозволило зрозуміти, як довго подорожують частки серед зірок. Ядер літію, берилію та бору в космічних променях у Землі виявилося значно більшим, ніж у джерелі, - їх додаткова кількість з'являється в результаті взаємодії більш важких ядер з міжзоряним газом. Вимірявши цю різницю, вирахували кількість Xтієї речовини, якою пройшли космічні промені, блукаючи в міжзоряному середовищі. У ядерній фізиці кількість речовини, яку зустрічає частка на своєму шляху, вимірюють у г/см 2 . Це пов'язано з тим, що для обчислення зменшення потоку частинок у зіткненнях з ядрами речовини треба знати кількість зіткнень частинки з ядрами, що мають різну поперечну напрямок частинки площу (перетин). Виражаючи кількість речовини у цих одиницях, всім ядер виходить єдина шкала виміру.

Експериментально знайдене значення X~ 5 -10 г/см 2 дозволяє оцінити час життя tкосмічних променів у міжзоряному середовищі: t ≈ X/ρ c, де c- швидкість частинок, приблизно рівна швидкості світла, ρ ~10 -24 г/см 3 - Середня щільність міжзоряного середовища. Звідси час життя космічних променів – близько 10 8 років. Цей час набагато перевищує час прольоту частки, що рухається зі швидкістю зпо прямій від джерела до Землі (3 10 4 років для найдальших джерел на протилежному від нас боці Галактики). Це означає, що частинки рухаються не прямою, а відчувають розсіювання. Хаотичні магнітні поля галактик з індукцією В ~10 -6 гауса (10 -10 тесла) рухають їх по колу радіусом (гірородіусом) R = E/3 × 10 4 B де Rу м, E- Енергія частки в еВ, В - індукція магнітного поля в Гаус. При помірних енергіях частинок E

Приблизно по прямій приходитимуть від джерела лише частки з енергією E> 10 19 еВ. Тому напрямок створюють ШАЛ частинок з енергією менше 10 19 еВ не вказує на їхнє джерело. У цій галузі енергій залишається лише спостерігати вторинні випромінювання, що генеруються у самих джерелах протонами та ядрами космічних променів. У доступній для спостереження області енергій гамма-випромінювання ( E

Уявлення про космічні промені як «місцеве» галактичне явище виявилося вірним лише для частинок помірних енергій E

1958 року Георгій Борисович Христиансен і Герман Вікторович Куликов відкрили різку зміну виду енергетичного спектру космічних променів при енергії близько 3·10 15 эВ. При енергіях менше цього значення експериментальні дані про спектр часток зазвичай представляли в «статечному» вигляді так, що кількість частинок Nіз заданою енергією E вважалося обернено пропорційним енергії частки в ступені γ: N(E) = a/Eγ (γ – диференціальний показник спектра). До енергії 3·10 15 еВ показник γ = 2,7, але при переході до великих енергій енергетичний спектр відчуває «злам»: для енергій E> 3·10 15 эВ γ стає 3,15. Це зміна спектра природно пов'язати з наближенням енергії прискорених частинок до максимально можливого значення, обчисленого для механізму прискорення наднових. На користь такого пояснення зламу спектру говорить і ядерний склад первинних частинок в галузі енергій 1015 -1017 еВ. Найбільш надійні відомості про нього дають комплексні установки ШАЛ - МГУ, Тунка, Тибет, Каскад. З їхньою допомогою отримують не лише відомості про енергію первинних ядер, але й параметри, що залежать від їх атомних номерів, - «ширину» зливи, співвідношення між кількістю електронів і мюонів, між кількістю найенергійніших електронів та загальною їх кількістю. Всі ці дані свідчать, що зі зростанням енергії первинних частинок від лівої межі спектру до його зламу до енергії після зламу відбувається збільшення їх середньої маси. Така зміна складу частинок за масами узгоджується з моделлю прискорення частинок наднових - воно обмежено максимальною енергією, яка залежить від заряду частинки. Для протонів ця максимальна енергія порядку 3 10 15 еВ і збільшується пропорційно заряду частинки (ядра), що прискорюється, так що ядра заліза ефективно прискорюються аж до ~10 17 еВ. Інтенсивність потоків частинок з енергією, що перевищує максимальну, швидко знижується.

Але реєстрація частинок ще більших енергій (~3 · 1018 еВ) показала, що спектр космічних променів не тільки не обривається, але повертається до виду, що спостерігається до зламу!

Вимірювання енергетичного спектру в галузі «ультрависокій» енергії ( E> 10 18 эВ) дуже важкі через малу кількість таких частинок. Для спостереження цих рідкісних подій необхідно створювати мережу з детекторів потоку частинок ШАЛ та породжених ними в атмосфері випромінювання Вавилова - Черенкова та іонізаційного випромінювання (флуоресценції атмосфери) на площі сотні і навіть тисячі квадратних кілометрів. Для подібних великих комплексних установок вибирають місця з обмеженою господарською діяльністю, але з можливістю забезпечити надійну роботу величезної кількості детекторів. Такі установки були побудовані спочатку на площах в десятки квадратних кілометрів (Якутськ, Хавера Парк, Акено), потім у сотні (AGASA, Fly's Eyе, HiRes), і, нарешті, зараз створюються установки в тисячі квадратних кілометрів (обсерваторія П'єр Оже в Аргентина, Телескопічна установка в штаті Юта, США).

Наступним кроком у вивченні космічного проміння ультрависокої енергії стане розвиток методу реєстрації ШАЛ зі спостереження флуоресценції атмосфери з космосу. У кооперації із кількома країнами у Росії створюється перший космічний детектор ШАЛ, проект ТУС. Ще один такий детектор передбачається встановити на Міжнародній космічної станціїМКС (проекти JEM-EUSO та КЛПВЕ).

Що ми сьогодні знаємо про космічні промені ультрависокої енергії? На нижньому малюнку представлений енергетичний спектр космічних променів з енергією вище 1018 еВ, який отриманий на установках останнього покоління (HiRes, обсерваторія П'єр Оже) разом з даними про космічні промені менших енергій, які, як було показано вище, належать Галактиці Млечний. Видно, що при енергіях 3·10 18 -3·10 19 еВ показник диференціального енергетичного спектру зменшився до значення 2,7-2,8, саме такого, що спостерігається для галактичних космічних променів, коли енергії часток набагато менше гранично можливих для галактичних прискорювачів . Чи не є це вказівкою на те, що при ультрависоких енергіях основний потік частинок створюють прискорювачі позагалактичного походження з максимальною енергією значно більшою за галактичну? Злам у спектрі галактичних космічних променів показує, що внегалактических космічних променів різко змінюється при переході від області помірних енергій 10 14 -10 16 еВ, де він приблизно в 30 разів менше вкладу галактичних (спектр, позначений на малюнку пунктиром), до області ультрависоких ен де він стає домінуючим.

В останні десятиліття накопичені численні астрономічні дані про позагалактичні об'єкти, здатні прискорювати заряджені частинки до енергій набагато більше 1019 еВ. Очевидною ознакоютого, що об'єкт розміром Dможе прискорювати частки до енергії E, служить наявність на всьому протязі цього об'єкта магнітного поля такого, що гірорадіус частинки менше D. До таких джерел-кандидатів відносяться радіогалактики (що випромінюють сильні радіовипромінювання); ядра активних галактик, що містять чорні дірки; стикаються галактики. Всі вони містять струмені газу (плазми), що рухаються з величезними швидкостями, що наближаються до швидкості світла. Такі струмені відіграють роль ударних хвиль, необхідні роботи прискорювача. Щоб оцінити їх внесок у інтенсивність космічних променів, що спостерігається, потрібно врахувати розподіл джерел по відстанях від Землі і втрати енергії частинок в міжгалактичному просторі. До відкриття фонового космічного радіовипромінювання міжгалактичний простір здавався «порожнім» і прозорим як для електромагнітного випромінювання, а й у частинок ультрависокої енергії. Щільність газу в міжгалактичному просторі, за астрономічними даними, настільки мала (10 -29 г/см 3), що навіть на величезних відстанях сотні мільярдів світлових років (10 24 м) частки не зустрічають ядер атомів газу. Однак, коли виявилося, що Всесвіт наповнений мало енергійними фотонами (приблизно 500 фотонів/см 3 з енергією Eф ~10 -3 еВ), що залишилися після Великого вибуху, стало ясно, що протони та ядра з енергією більше E~5·10 19 еВ, межі Грейзена-Зацепіна-Кузьміна (ГЗК), повинні взаємодіяти з фотонами і на шляху більше десятків мільйонів світлових років втрачати б обільшу частину своєї енергії. Таким чином, переважна частина Всесвіту, що знаходиться на відстанях понад 10 7 світлових років від нас, виявилася недоступною для спостереження в променях з енергією понад 5 · 1019 еВ. Останні експериментальні дані про спектр космічних променів ультрависокої енергії (установка HiRes, обсерваторія П'єр Оже) підтверджують існування цієї енергетичної межі для частинок, що спостерігаються із Землі.

Як видно, вивчати походження космічних променів ультрависокої енергії надзвичайно важко: основна частина можливих джерел космічних променів найвищих енергій (вище за межі ГЗК) є настільки далекою, що частки на шляху до Землі втрачають придбану в джерелі енергію. А при енергіях менше межі ГЗК відхилення частинок магнітним полемГалактики ще велике, і напрямок приходу частинок навряд чи зможе вказати становище джерела на небесній сфері.

У пошуку джерел космічних променів ультрависокої енергії використовують аналіз кореляції експериментально виміряного напрямку приходу частинок з достатньо високими енергіями- такими, що поля Галактики несильно відхиляють частинки напряму на джерело. Установки попереднього покоління поки що не дали переконливих даних про кореляцію направлення приходу частинок з координатами якогось спеціально виділеного класу астрофізичних об'єктів. Останні дані обсерваторії Пьер Оже можна як надію отримання у найближчі роки даних про роль джерел типу AGN у створенні інтенсивних потоківчастинок з енергією порядку межі ГЗК.

Цікаво, що на установці AGASA було отримано вказівки на існування «порожніх» напрямків (таких, де немає жодних відомих джерел), за якими за час спостереження приходять дві і навіть три частинки. Це викликало великий інтересу фізиків, які займаються космологією - наукою про походження та розвиток Всесвіту, нерозривно пов'язаного з фізикою елементарних частинок. Виявляється, що в деяких моделях структури мікросвіту та розвитку Всесвіту (теорії Великого вибуху) передбачено збереження в сучасному Всесвіті надмасивних елементарних частинок з масою порядку 10 23 -10 24 ев, з яких має складатися речовина на самій ранній стадіїВеликого вибуху. Їх розподіл у Всесвіті не дуже зрозумілий: вони можуть бути рівномірно розподілені в просторі, або «притягнуті» до масивних областей Всесвіту. Головна їхня особливість у тому, що ці частинки нестабільні і можуть розпадатися на легші, у тому числі на стабільні протони, фотони та нейтрино, які набувають величезних кінетичних енергії - понад 10 20 еВ. Місця, де збереглися такі частинки (топологічні дефекти Всесвіту), можуть стати джерелами протонів, фотонів або нейтрино ультрависокої енергії.

Як і у випадку галактичних джерел, існування позагалактичних прискорювачів космічних променів ультрависокої енергії підтверджують дані детекторів гамма-випромінювання, наприклад, телескопи установки HESS, спрямовані на перераховані вище позагалактичні об'єкти - кандидати в джерела космічних променів.

Серед них найперспективнішими виявилися ядра активних галактик (AGN) зі струменями газу. Один з найбільш добре вивчених на установці HESS об'єктів – галактика М87 у сузір'ї Діва, на відстані 50 мільйонів світлових років від нашої Галактики. У її центрі знаходиться чорна діра, яка забезпечує енергією процеси поблизу неї і, зокрема, гігантський струмінь плазми, що належить цій галактиці. Прискорення космічних променів в М87 прямо підтверджують спостереження її гамма-випромінювання, енергетичний спектр фотонів якого з енергією 1-10 ТЕВ (1012-1013 еВ), що спостерігається на установці HESS. Спостережувана інтенсивність гамма-випромінювання від М87 становить приблизно 3% інтенсивності Краба. З урахуванням різниці у відстані до цих об'єктів (5000 разів) це означає, що світність М87 перевищує світність Краба в 25 мільйонів разів!

Моделі прискорення частинок, створені для цього об'єкта, показують, що інтенсивність частинок, що прискорюються в М87, може бути така велика, що навіть на відстані 50 мільйонів світлових років внесок цього джерела зможе забезпечити спостерігається інтенсивність космічних променів з енергією вище 10 19 еВ.

Але ось загадка: у сучасних даних про ШАЛ у напрямку цього джерела немає надлишку частинок з енергією порядку 10 19 эВ. А чи не виявиться це джерело в результатах майбутніх космічних експериментів, за таких енергій, коли далекі джерела вже не дають вкладу в події, що спостерігаються? Ситуація зі зламом в енергетичному спектрі може повторитися ще раз, наприклад, при енергії 2·10 20 . Але цього разу джерело має бути видно у вимірах напрямку траєкторії первинної частинки, оскільки енергії > 2·10 20 эВ настільки великі, що частки не повинні відхилятися в галактичних магнітних полях.

Як бачимо, після столітньої історії вивчення космічних променів ми знову чекаємо нових відкриттів, цього разу космічного випромінювання ультрависокої енергії, природа якого поки що невідома, але може відігравати важливу роль у устрої Всесвіту.

Література:
1) Добротін Н.А. Космічні промені. - М: Вид. АН СРСР, 1963.
2) Мурзін В.С. Введення у фізику космічних променів. - М: Вид. МДУ, 1988.
3) Панасюк М. І. Мандрівники Всесвіту, або Відлуння Великого вибуху. - Фрязіно: «Століття2», 2005.
4) Россі Б. Космічні промені. - М.: Атоміздат, 1966.
5) Хрінов Б.А. Релятивістські метеори// Наука у Росії, 2001, № 4.
6) Хрінов Б.А. та Панасюк М.І. Посланці космосу: далекого чи ближнього?// Природа, 2006 № 2.
7) Хрінов Б.А. та Клімов П.А. Очікується відкриття// Природа, 2008 № 4.

Закони збереження суворо виконувались у всіх випадках, описаних у попередніх розділах. Коли один із законів виявлявся недосконалим, доводилося інтерпретувати його по-іншому. Так, старий закон збереження маси було розширено і перетворено на більш загальний закон збереження енергії. З іншого боку, коли очікувані події насправді не відбувалися, вигадали новий законзбереження (як було у разі закону збереження баріонного числа). Однак не завжди легко довести, що закони збереження виконуються достеменно. Особливо загадкова ситуація виникла на зорі розвитку ядерної фізики щодо кінетичної енергії частинок, що випускаються радіоактивними речовинами.

Енергію ?-частки можна визначити, вимірюючи маси вихідного радіоактивного ядра, ?-частки та кінцевого ядра. Сумарна маса?-частинки та кінцевого ядра повинна бути трохи меншою за масу вихідного ядра, а енергетичний еквівалент недостатньої маси дорівнювати кінетичній енергії?-частинки. Вимірювати з високою точністю маси різних ядер та інших частинок фізики змогли лише у 20-х роках нашого сторіччя. Тим не менш, деякі важливі висновки щодо енергій частинок вони зробили, не знаючи точного значення мас.

Розглянемо торій-232, який розпадається на ?-частку (гелій-4) та радій-228. Усі ядра торію-232 мають однакові маси. Маси всіх ядер радію-228 також мають однакову величину, як і маси всіх частинок. Не знаючи величину цих мас, все ж таки можна сказати, що кожного разу, коли атом торію-232 випускає?-частку, дефіцит маси повинен бути однаковий, а отже, має бути однакова і кінетична енергія?-часток. Іншими словами, торій-232 повинен випускати частинки з однією і тією ж енергією.

Як визначити кінетичну енергію?-частинок? Відомо, що чим більша енергія-частинки, тим глибше вона проникає в речовину. ?-Частини гальмуються дуже тонким шаромтвердої речовини, але можуть пройти крізь шар повітря завтовшки кілька сантиметрів. При цьому частинки безперервно передають енергію молекулам повітря, з якими вони стикаються, поступово сповільнюються і, захоплюючи електрони, стають врешті-решт звичайними атомами гелію. У такому стані їх вже не можна виявити методами, за допомогою яких реєструються частки, так що фактично вони зникають.

Виявити?-частки можна за допомогою плівки хімічної сполуки, званого сірчистим цинком Щоразу, коли?-частка налітає на таку плівку, вона викликає слабкий спалах світла. Якщо поруч із джерелом?-частинок (скажімо, шматочком торію-232 у свинцевому контейнері з дуже вузьким отвором) помістити сцинтиляційний лічильник,то число спалахів відповідатиме кількості утворених частинок. Якщо сцинтиляційний лічильник розташовувати все далі і далі від джерела, ?-частинки повинні проходити через все більший і більший шар повітря, щоб потрапити в нього. Якби ?-частинки випускалися з різними енергіями, то володіють найменшою енергією зникли б дуже швидко, більш «енергійні» ?-частинки пройшли б більший шлях у повітрі і т.д. , що потрапляють у лічильник, мало б поступово зменшуватися. Якби?-Частинки вилітали з однаковою енергією, всі вони проходили б у повітрі однаковий шлях. Отже, сцинтиляційний лічильник мав би реєструвати те саме число частинок у міру віддалення від джерела, аж до деякої критичної точки, за якою він не зареєстрував би жодного спалаху.

Саме це явище спостерігав англійський фізик Вільям Генрі Брегг у 1904 році. Майже всі?-частки, що вилітають з ядер одного і того ж елемента, мали ту саму енергію і мали однакову проникаючу здатність. Всі частки торію-232 проходили шар повітря товщиною 2,8 см,все?-частки радію-226-3,3 см,а?-частинки полонію-212 - 8,6 см. Насправді є деякі відхилення. У 1929 році було виявлено, що невелика частина частинок одного і того ж радіоактивного ядра може мати надзвичайно великий кінетичною енергієюі більшою проникною здатністю, ніж інші. Причина цього в тому, що вихідне радіоактивне ядро ​​може бути в одному з збуджених станів.У збуджених станах ядра мають більшу енергію, ніж у своєму нормальному основному стані.Коли ядро ​​випускає ?-частку, перебуваючи у збудженому стані, ?-частка отримує додаткову енергію. В результаті крім основної групи?-часток утворюються маленькі групи?-часток з більшою проникною здатністю, по одній групі для кожного збудженого стану.

Коли радіоактивне ядро ​​утворюється при розпаді іншого ядра, воно іноді перебуває у збудженому стані з моменту свого утворення. Тоді більшість їм?-частиц має надзвичайно велику енергію, а?-частинки з меншою енергією утворюють невеликі групи. Ці окремі групи?-часток (від 2 до 13) з різними енергіями утворюють спектр?-Частинок даного ядра. Кожна компонента спектра відповідає, як і передбачали, одному зі збуджених станів ядра. Отже, закон збереження енергії?-Частиць виконується, чого не можна сказати у випадку?-Частиць.

Енергія?-частки

Якщо всі висновки, зроблені для ?-частинок, були б застосовні до ?-частин і виконували б розглянуті енергетичні співвідношення, всі утворюються при розпаді ядер ?-частинки володіли б однією і тією ж кінетичною енергією. Однак ще в 1900 році склалося враження, що частки випускаються з будь-якою енергією аж до деякого максимального значення. Протягом наступних п'ятнадцяти років докази поступово накопичувалися, доки стало ясно, що енергії?-частиц утворюють безперервний спектр.

Кожне ядро, випромінюючи у процесі розпаду?-частку, втрачає певну кількістьмаси. Зменшення маси має відповідати величині кінетичної енергії -частинки. При цьому кінетична енергія-частинки будь-якого з відомих нам радіоактивних ядер не перевищує енергії, еквівалентної зменшення маси. Таким чином, зменшення маси при будь-якому радіоактивному розпаді відповідає максимальному значенню кінетичної енергії?-Частиць, що утворюються в процесі цього розпаду.

Але, згідно із законом збереження енергії, жодна з ?-часток не повинна володіти кінетичною енергією менше енергії, еквівалентної зменшенню маси, тобто максимальна кінетична енергія ?-частки повинна бути одночасно і мінімальною. Насправді, це не так. Дуже часто?-частки випускаються з меншою кінетичною енергією, ніж слід очікувати, причому максимального значення, що відповідає закону

збереження енергії, навряд чи сягає хоч одна?-частка. Одні?-частинки мають кінетичну енергію, дещо меншу за максимальне значення, інші - значно меншу, інші - набагато меншу. Найбільш поширена величина кінетичної енергії дорівнює одній третині максимального значення. Загалом більше половини енергії, яка повинна виникати внаслідок зменшення маси при радіоактивних розпадах, що супроводжуються утворенням частинок, не можна виявити.

У двадцятих роках багато фізиків були схильні вже відмовитися від закону збереження енергії, принаймні для тих процесів, у яких утворюються частки. Перспектива була тривожною, оскільки закон залишався справедливим у всіх інших випадках. Але чи існує інше пояснення цього явища?

У 1931 році Вольфганг Паулі запропонував наступну гіпотезу: ?-частка не отримує всю енергію через те, що утворюється друга частка, яка забирає залишок енергії. Енергія може розподілитися між двома частинками у будь-яких пропорціях. У деяких випадках майже вся енергія передається електрону і тоді він має майже максимальну кінетичну енергію, еквівалентну зменшенню маси.

Іноді майже вся енергія передається другій частці, тоді енергія електрона фактично дорівнює нулю. Коли енергія розподіляється між двома частинками рівномірніше, електрон має проміжні значення кінетичної енергії.

Яка ж частка задовольняє припущення Паулі? Згадаймо, що?-частки виникають щоразу, коли всередині ядра нейтрон перетворюється на протон. При розгляді перетворення нейтрона на протон, безперечно, простіше мати справу з вільним нейтроном. Нейтрон був відкритий, коли Паулі вперше запропонував свою теорію. Ми можемо скористатися перевагою ретроспективного погляду.

При розпаді вільного нейтрону на протон і електрон останній вилітає з будь-якою кінетичною енергією аж до максимальної, яка приблизно дорівнює 0,78. Мев. Ситуація аналогічна випромінюванню радіоактивним ядром?-частинки, тому при розгляді розпаду вільного нейтрона необхідно врахувати частинку Паулі.

Позначимо частинку Паулі хта спробуємо з'ясувати її властивості. Запишемо реакцію розпаду нейтрону:

п> р ++ е -+ х.

Якщо під час розпаду нейтрона виконується закон збереження електричного заряду, х-Частина повинна бути нейтральною. Справді, 0 = 1-1 +0. При розпаді нейтрону на протон і електрон втрата маси становить 0,00029 одиниць за атомною шкалою мас, що дорівнює половині маси електрона. Якби x-частка отримала навіть всю енергію, що утворюється в результаті зникнення маси, і якби вся енергія пішла на утворення маси, маса хстановила лише половину маси електрона. Отже, x-Частина повинна бути легше електрона. Насправді вона повинна бути значно легшою, тому що зазвичай електрон отримує більшу частину енергії, що виділяється, а іноді майже всю. Більш того, навряд чи енергія, передана х-частинці, повністю перетворюється на масу; значна частина її перетворюється на кінетичну енергію х-частки. З роками оцінка маси х-Частинок ставала все менше і менше. Нарешті стало ясно, що х-частка, як і фотон, не має маси, тобто подібно до фотона вона поширюється зі швидкістю світла з моменту свого виникнення. Якщо енергія фотона залежить від довжини хвилі, енергія х-частки залежить від чогось аналогічного.

Отже частка Паулі не має ні маси, ні заряду, і стає зрозумілим, чому вона залишається «невидимкою». Заряджені частинки зазвичай виявляють завдяки іонам, які вони утворюють. Незаряджений нейтрон виявили через велику масу. Частка без маси і без заряду ставить фізика в глухий кут і позбавляє його будь-якої можливості зловити і вивчити її.

Незабаром після того, як Паулі припустив існування х-Частки, вона отримала ім'я. Спочатку її хотіли назвати «нейтроном», оскільки вона не заряджена, але через рік після появи гіпотези Паулі Чедвік відкрив важку незаряджену частинку, яка отримала це ім'я. Італійський фізик Енріко Фермі, маючи на увазі, що х-частка набагато легша за нейтрон Чедвіка, запропонував назвати х-частку нейтрино,що російською означає «щось маленьке, нейтральне». Пропозиція була дуже вдалою, і з того часу вона так і називається. Зазвичай нейтрино позначають грецькою літерою? «ню» ) і розпад нейтрону записують так:

п> р ++ е -+ ?..

Нейтрино зовсім необхідно

Гіпотеза Паулі про існування нейтрино і детальна теорія народження нейтрино, створена Фермі, були по-різному зустріті фізиками. Ніхто не хотів відмовлятися від закону збереження енергії, хоча були серйозні сумніви щодо необхідності порятунку цього закону за допомогою частки без маси і без заряду, частки, яку не можна виявити, частинки, єдиною підставою для існування якої було просто бажання врятувати закон збереження енергії. Деякі фізики вважали її примарною частинкою, своєрідним трюком для порятунку енергетичної «бухгалтерії». Фактично концепція нейтрино була просто способом вираження, що «закон збереження енергії не виконується» . Закон збереження енергії виявився не єдиним, врятованим нейтрино.

Розглянемо нерухомий нейтрон, т. е. нейтрон з нульовим імпульсом щодо спостерігача. При розпаді сумарний імпульс протона і електрона повинен дорівнювати нулю, якщо розпад супроводжується утворенням тільки двох частинок. Електрон повинен вилетіти в одному напрямку, а протон точно в протилежному (але з меншою швидкістю, тому що його маса більша ).

Однак, це не так. Електрон і протон випускаються у напрямках, що утворюють певний кут. Невеликий сумарний імпульс у напрямку вильоту часток виникає ніби з нічого, і закон збереження імпульсу порушується. Однак, якщо при цьому виникає нейтрино, воно може вилетіти в такому напрямку, що точно компенсує сумарний імпульс двох інших частинок (рис. 6).

Інакше кажучи, закон збереження імпульсу виконується лише завдяки нейтрино.

Мал. 6. Розпад нейтрону.

Легко бачити, що аналогічна ситуація і з моментом кількості руху. Нейтрон, протон та електрон мають спін +1/2 або -1/2 кожен. Припустимо, що спин нейтрону +1/2. При його розпаді сумарний спин протона та електрона повинен дорівнювати +1/2, якщо закон збереження моменту кількості руху справедливий і при розпаді утворюються тільки ці дві частинки. Чи це можливо? Спини протона і електрона можуть дорівнювати +1/2 і +1/2; +1/2 та -1/2; -1/2 та -1/2, тобто сумарний спин обох частинок дорівнює +1, 0 і - 1 відповідно. Він не дорівнює і ніколи не може дорівнювати +1/2 або -1/2, якщо спочатку спин нейтрону дорівнював -1/2. Коротше кажучи, якщо нейтрон розпадається лише на протон та електрон, закон збереження моменту кількості руху порушується.

Але припустимо, що з розпаду виникає нейтрино зі спином +1/2 чи -1/2. Тоді сумарний спин трьох виниклих при розпаді частинок завжди дорівнюватиме спину вихідного нейтрона. Отже, існування нейтрино «рятує» принаймні три закони: закон збереження енергії, імпульсу та моменту кількості руху. Примітно, що та сама частка виконує потрійну роботу.

Важко сказати, що було гірше: визнати існування однієї загадкової, примарної частки чи порушення закону збереження. Значно легше зробити вибір між примарною часткою та порушенням одразу трьох законів збереження. Довелося фізикам вибрати примарну частинку. Поступово існування нейтрино визнано ядерниками. Вони перестали сумніватися у реальності нейтрино незалежно від цього, могли його виявити чи ні.

Збереження лептонного числа

Нейтрино не лише рятує три закони збереження, а й створює один новий. Щоб зрозуміти, як це відбувається, розглянемо нейтрино стосовно античасток.

Антинейтрон розпадається на антипротон та позитрон (антиелектрон). Ситуація аналогічна до розпаду нейтрону. Позитрон вилітає з меншою кінетичною енергією, ніж повинен, позитрон та антипротон не розлітаються у взаємно протилежних напрямках та їх спини не складаються належним чином. Додавання нейтрино і в цьому випадку все збалансує.

Виникає, природно, питання: чи те саме нейтрино утворюється при розпаді антинейтрону і при розпаді нейтрона?

Неважко довести, що нейтрино бувають різними. Нейтрино, що володіє спином, подібно до нейтрона, створює магнітне поле, яке має два різні напрямки. Отже, нейтрино і антинейтрино існують так само, як нейтрон і антинейтрон. При розпаді нейтрону виникає один із близнюків нейтрино, а при розпаді антинейтрону – інший. Але який із них супроводжує цей розпад?

Я вже описав закон збереження баріонного числа, який стверджує, що сумарне баріонне число замкнутої системи залишається незмінним. Чи є аналогічний закон збереження лептонного числа,за яким сумарне лептонне число замкнутої системи залишається незмінним?Чому нам не вимагати від лептонів того самого, що й від баріонів? На жаль, якщо нейтрино не включити до розгляду, цього зробити не можна.

Припишемо електрону лептонне число+1, а позитрон або антиелектрону - лептонне число -1. Фотон, що є власною античастинкою, не може мати лептонне число ні +1, ні -1, і було б логічно приписати йому нульове лептонне число. Усі баріони також мають нульові лептонні числа.

Повернемося знову до розпаду нейтрону. Почнемо з одного нейтрона, що має баріонне число 1 і нульове число лептон. Припустимо, що з розпаду нейтрону утворюється лише протон і електрон. Протон та електрон повинні мати сумарне баріонне число 1 і сумарне лептонне число 0, якщо обидва ці числа зберігаються. Справді, сума баріонних чисел двох частинок дорівнює +1 (тобто 1 + 0) відповідно до закону збереження баріонного числа. Сумарне лептонне число протона і електрона теж дорівнює +1 (тобто 1 + 0), хоча на початку реакції лептонне число дорівнювало нулю. Отже, лептонне число не зберігається.

Припустимо, що до лептонів належать нейтрино та антинейтрино з лептонними числами + 1 та -1 відповідно. Тоді при розпаді нейтрону на протон, електрон та антинейтрино лептонне число зберігається (0 + 1–1 = = 0), і розпад можна записати так:

п> р ++ е -+ "?,

де "? - Антинейтрино.

Коли антинейтрон розпадається з нульовим лептонним числом, виникають антипротон, позитрон і нейтрино. Лептонні числа трьох частинок, що утворилися 0, -1 і +1 відповідно, а їх сума дорівнює нулю:

"п> "р -+ "е++ ?.

У вільному стані нейтрони та антинейтрони розпадаються на протони та антипротони, зворотна ситуація не має місця. Однак усередині ядер протони іноді спонтанно перетворюються на нейтрони (наприклад, у разі фосфору-30). Аналогічно в антиречовині антипротони перетворюються на антинейтрони.

Коли протон перетворюється на нейтрон, утворюються позитрон і нейтрино:

р + > n + "e + +?.

Коли ж антипротон перетворюється на антинейтрон, утворюються електрон та антинейтрино:

"р ->" n + е - +?.

В обох випадках лептонне число зберігається. Підсумовуючи, можна сказати, що при випромінюванні електрона має виникати антинейтрино, а при випромінюванні позитрона повинно виникати нейтрино, щоб наприкінці розпаду лептонне число дорівнювало нулю.

Якщо брати до уваги нейтрино та антинейтрино, лептонне число зберігається у всіх вивчених субатомних процесах. Таким чином, існування нейтрино та антинейтрино не тільки врятувало закони збереження енергії, імпульсу та моменту кількості руху, але й дозволило також встановити закон збереження лептонного числа. Тому фізикам було важко не визнати існування цих частинок.

Примітки:

Чим більша проникаюча здатність?-Частинок даного ядра, тим більше дефіцит маси в процесі радіоактивного розпаду і тим більше ймовірністьцього розпаду, тобто чим більша проникаюча здатність?-Частинок, тим менше періоднапіврозпаду ядра. Якщо торій-232 має період напіврозпаду 14 мільярдів років, період напіврозпаду радію-226 - 1620 років, а полонію-212 - три десятимільйонні частки секунди.

Справді, якби я піддався спокусі запровадити поняття про нейтрино на початку книги, було б важко довести, що нейтрино - не плід наукового містицизму. Однак, оскільки перша половина книги підкреслює значення та важливість законів збереження, зараз можна показати, що нейтрино, незважаючи на всі його дивні властивості – реальна і необхідна частка.