20.5. Лептони й антилептони

Систематизацію фундаментальних частинок слід починати з розгляду лептонів та антилептонів. Відомо вісім таких частинок. Деякі їхні властивості наведено в табл. 20.1. Усі вони, за винятком мюона й антимюона, є стійкими частинками. Слово «лептон» має грецьке походження, від leptos — дрібний, легкий.

Таблиця 20.1. Лептони й антилептони^а

Мюон μ⁻ було відкрито першим із частинок, що мають середню масу між масами електрона й протона. Він присутній у космічних променях. Цей мюон утворюється внаслідок такої реакції:

$$\bar{\pi}^{-} \longrightarrow \mu^{-} + \bar{\nu}'$$

Додатний мюон, антимюон ($\bar{\mu}^{+}$), утворюється внаслідок аналогічної реакції з додатного піона. Обидва ці піони, як додатний, так і від'ємний, присутні в космічних променях. Вони швидко розпадаються (період напіврозпаду ∼2,56·10⁻⁸ с) з утворенням мюонів. У свою чергу мюон і антимюон також розпадаються, утворюючи електрон (або позитрон), нейтрино й антинейтрино

$$\mu^{-} \longrightarrow e^{-} + \nu' + \bar{\nu}$$

$$\bar{\mu}^{+} \longrightarrow \bar{e}^{+} + \nu + \bar{\nu}'$$

Мюон і антимюон не мають стосунку до міжнуклонних сил. Їхня природа не визначена. Можливо, ці частинки являють собою збуджені стани електрона й позитрона.

^а Електрон, мюон і нейтрино мають лептонне число +1; позитрон, антимюон і антинейтрино мають лептонне число −1; усі інші частинки мають лептонне число 0.

^б Спін нейтрино відповідає правогвинтовій нарізці (R), а спін антинейтрино — лівогвинтовій нарізці (L).

Нейтрино — частинка з масою спокою, що дорівнює нулю, і зі спіном ½; вона відрізняється від фотона головним чином значенням спіну (фотон має спін 1). Припущення про існування нейтрино висловив 1927 р. В. Паулі для пояснення, здавалося б, цілком очевидного недотримання принципу збереження енергії в процесі випускання бета-частинки (електрона) радіоактивним ядром (підрозд. 20.13). Дані спостережень показали, що всі радіоактивні ядра одного й того самого виду випускають альфа-частинки, подібно до ²²⁶Ra (рис. 20.6), які мають одну й ту саму енергію, як і слід було очікувати згідно із законом збереження маси-енергії, але водночас було відомо, що деякі радіоактивні атоми, наприклад ²¹⁴Pb, випускають бета-частинки різної енергії. Паулі, а пізніше й Фермі припускали, що при радіоактивному розпаді ядра з випусканням бета-частинки випускається також частинка з невеликою або нульовою масою спокою, і при цьому енергія реакції розподіляється між бета-частинкою та іншою частинкою, яку Фермі назвав нейтрино.

1934 р. Фермі розробив свою теорію бета-розпаду для пояснення несподіваних результатів спостережень, які свідчили про те, що деякі радіоактивні ядра випускають електрон у процесі радіоактивного розпаду, хоча передбачалося, що вони складаються лише з протонів і нейтронів. Фермі зауважив, що атоми випускають фотони при переході з одного квантового стану в інший, хоча на той час не припускали, що атоми містять фотони; вважали, що фотон виникає в момент його випускання. Фермі припустив, що електрони, бета-частинки, утворюються при радіоактивному розпаді ядрі або ядра (на думку редакції сайту) і що одночасно один із нейтронів усередині ядра стає протоном і при цьому випускається нейтрино (або, що ймовірніше, антинейтрино).

Фундаментальною реакцією теорії Фермі є реакція

$$n \longrightarrow p^{+} + e^{-} + \bar{\nu}$$

Це реакція розпаду вільного нейтрона (табл. 20.4). Вільний нейтрон розпадається зі швидкістю, яка визначається періодом напіврозпаду 1040 с. У багатьох ядрах нейтрон стає стійким унаслідок взаємодії з іншими нуклонами, але в деяких ядрах він залишається нестабільним, через що й відбувається наведена вище реакція.

Нейтрино взаємодіють з іншими частинками дуже слабко, і існування нейтрино не вдавалося підтвердити експериментально аж до 1956 р., коли американські фізики Ф. Рейнес і К. Л. Коуан-молодший показали, що нейтрино, які утворилися в ядерному реакторі, при проходженні крізь бульбашкову камеру з рідким воднем спричиняють реакцію, яка в першому наближенні є оберненою реакцією розпаду нейтрона

$$\bar{\nu} + p^{+} \longrightarrow n + \bar{e}^{+}$$

Розпад нейтрона на протон, електрон і нейтрино не можна пояснити сильними взаємодіями (підрозд. 20.3) чи електромагнітними силами. Фермі припустив, що між деякими частинками відбувається взаємодія іншого роду, яку називають слабкою взаємодією. Вона приблизно в 10⁻¹⁵ раза менша за сильні взаємодії, що відбуваються між нуклонами й аналогічними частинками; тривалість реакції при цьому має порядок 10⁻⁸ с, тоді як сильні взаємодії відбуваються за час 10⁻²³ с.

Нейтрино й антинейтрино мають спін ½, але при цьому вони мають виняткову властивість, яку було відкрито 1957 р. внаслідок роботи китайських фізиків Лі Цзун-дао (нар. 1926 р.) та Янг Чен-нінга (нар. 1922 р.), які працювали в Сполучених Штатах. Ці фізики-теоретики та залучені ними до досліджень фізики-експериментатори встановили, що нейтрино, яке має спін ½ і рухається зі швидкістю світла, завжди орієнтує свій спін у напрямку руху (права поляризація). Антинейтрино завжди орієнтує свій спін проти напрямку руху (ліва поляризація).

Для найпростішого пояснення численних експериментальних спостережень низка фізиків 1960 р. висловила припущення про існування двох нейтрино та двох антинейтрино з дещо різними властивостями. Було постульовано, що один вид нейтрино ($\nu$) і один вид антинейтрино ($\bar{\nu}$) пов'язані певною залежністю з електроном і позитроном, а нейтрино ($\nu'$) й антинейтрино ($\bar{\nu}'$) іншого виду перебувають в аналогічному співвідношенні з мюоном і антимюоном. Ця гіпотеза дістала експериментальне підтвердження 1962 р. внаслідок дуже складних дослідів, проведених групою вчених Колумбійського університету та Брукгейвенської національної лабораторії. Як уже згадувалося вище, Рейнес і Коуан показали, що нейтрино утворюється за реакцією, у якій електрони взаємодіють з протоном, внаслідок чого виникають нейтрон і електрон. В експерименті 1962 р. було показано, що нейтрино, які утворюються при розпаді мюонів, реагують з протонами, внаслідок чого виникають лише мюони, а електрони не утворюються

$$\bar{\nu}' + p^{+} \longrightarrow n + \bar{\mu}^{+}$$

Ці два види нейтрино надалі називатимемо електронним нейтрино $\nu$ і мюонним нейтрино $\nu'$. Нині нічого не можна сказати про їхню природу і не можна пояснити відмінності в їхніх властивостях особливостями відмінності в їхній структурі.