20.5. Лептоны и антилептоны

Систематизацию фундаментальных частиц следует начать с рассмотрения лептонов и антилептонов. Известно восемь таких частиц. Некоторые их свойства приведены в табл. 20.1. Все они, за исключением мюона и антимюона, являются устойчивыми частицами. Слово «лептон» имеет греческое происхождение, от leptos — мелкий, легкий.

Таблица 20.1. Лептоны и антилептоны^а

Мюон μ⁻ был открыт первым из частиц, обладающих средней массой между массами электрона и протона. Он присутствует в космических лучах. Образуется этот мюон в результате следующей реакции:

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

Положительный мюон, антимюон ($\bar{\mu}^{+}$), образуется в результате аналогичной реакции из положительного пиона. Оба эти пиона, как положительный, так и отрицательный, присутствуют в космических лучах. Они быстро распадаются (период полураспада ∼2,56·10⁻⁸ с) с образованием мюонов. В свою очередь мюон и антимюон также распадаются, образуя электрон (или позитрон), нейтрино и антинейтрино

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

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

Мюон и антимюон не имеют отношения к межнуклонным силам. Их природа не определена. Возможно, эти частицы представляют собой возбужденные состояния электрона и позитрона.

^а Электрон, мюон и нейтрино имеют лептонное число +1; позитрон, антимюон и антинейтрино имеют лептонное число −1; все остальные частицы имеют лептонное число 0.

^б Спин нейтрино отвечает правовинтовой нарезке (R), а спин антинейтрино — левовинтовой нарезке (L).

Нейтрино — частица с массой покоя, равной нулю, и со спином ½; она отличается от фотона главным образом значением спина (фотон имеет спин 1). Предположение о существовании нейтрино высказал в 1927 г. В. Паули для объяснения, казалось бы, совершенно очевидного несоблюдения принципа сохранения энергии в процессе испускания бета-частицы (электрона) радиоактивным ядром (разд. 20.13). Данные наблюдений показали, что все радиоактивные ядра одного и того же вида испускают альфа-частицы, подобно ²²⁶Ra (рис. 20.6), обладающие одной и той же энергией, что и следовало ожидать согласно закону сохранения массы-энергии, но в то же время было известно, что некоторые радиоактивные атомы, например ²¹⁴Pb, испускают бета-частицы разной энергии. Паули, а позже и Ферми предполагали, что при радиоактивном распаде ядра с испусканием бета-частицы испускается также частица с небольшой или нулевой массой покоя и при этом энергия реакции распределяется между бета-частицей и другой частицей, которую Ферми назвал нейтрино.

В 1934 г. Ферми разработал свою теорию бета-распада для объяснения неожиданных результатов наблюдений, свидетельствующих о том, что некоторые радиоактивные ядра испускают электрон в процессе радиоактивного распада, хотя предполагалось, что они состоят лишь из протонов и нейтронов. Ферми отметил, что атомы испускают фотоны при переходе из одного квантового состояния в другое, хотя в то время и не предполагали, что атомы содержат фотоны; считали, что фотон возникает в момент его испускания. Ферми предположил, что электроны, бета-частицы, образуются при радиоактивном распаде ядре или ядра (по мнению редакции сайта) и что одновременно один из нейтронов внутри ядра становится протоном и при этом испускается нейтрино (или, что более вероятно, антинейтрино).

Фундаментальной реакцией теории Ферми является реакция

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

Это реакция распада свободного нейтрона (табл. 20.4). Свободный нейтрон распадается со скоростью, определяемой периодом полураспада 1040 с. Во многих ядрах нейтрон становится устойчивым в результате взаимодействия с другими нуклонами, но в некоторых ядрах он остается нестабильным, почему и протекает приведенная выше реакция.

Нейтрино взаимодействуют с другими частицами очень слабо, и существование нейтрино не удавалось подтвердить экспериментально вплоть до 1956 г., когда американские физики Ф. Рейнес и К. Л. Коуан младший показали, что нейтрино, образовавшиеся в ядерном реакторе, при прохождении через пузырьковую камеру с жидким водородом вызывают реакцию, которая в первом приближении является обратной реакцией распада нейтрона

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

Распад нейтрона на протон, электрон и нейтрино нельзя объяснить сильными взаимодействиями (разд. 20.3) или электромагнитными силами. Ферми предположил, что между некоторыми частицами происходит взаимодействие иного рода, называемое слабым взаимодействием. Оно приблизительно в 10⁻¹⁵ раз меньше сильных взаимодействий, происходящих между нуклонами и аналогичными частицами; длительность реакции при этом имеет порядок 10⁻⁸ с, тогда как сильные взаимодействия протекают за время 10⁻²³ с.

Нейтрино и антинейтрино имеют спин ½, но при этом они обладают исключительным свойством, которое было открыто в 1957 г. в результате работы китайских физиков Ли Цзун-дао (род. в 1926 г.) и Янг Чен-нинга (род. в 1922 г.), работавших в Соединенных Штатах. Эти физики-теоретики и вовлеченные ими в исследования физики-экспериментаторы установили, что нейтрино, имеющее спин ½ и движущееся со скоростью света, всегда ориентирует свой спин в направлении движения (правая поляризация). Антинейтрино всегда ориентирует свой спин против направления движения (левая поляризация).

Для простейшего объяснения многочисленных экспериментальных наблюдений ряд физиков в 1960 г. высказали предположение о существовании двух нейтрино и двух антинейтрино с несколько различающимися свойствами. Было постулировано, что один вид нейтрино ($\nu$) и один вид антинейтрино ($\bar{\nu}$) связаны определенной зависимостью с электроном и позитроном, а нейтрино ($\nu'$) и антинейтрино ($\bar{\nu}'$) иного вида находятся в аналогичном соотношении с мюоном и антимюоном. Эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение в 1962 г. в результате очень сложных опытов, проведенных группой ученых Колумбийского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории. Как уже упоминалось выше, Рейнес и Коуан показали, что нейтрино образуется по реакции, при которой электроны взаимодействуют с протоном, в результате чего возникают нейтрон и электрон. В эксперименте 1962 г. было показано, что нейтрино, образующиеся при распаде мюонов, реагируют с протонами, в результате чего возникают одни мюоны, а электроны не образуются

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

Эти два вида нейтрино в дальнейшем будем называть электронным нейтрино $\nu$ и мюонным нейтрино $\nu'$. В настоящее время нельзя ничего сказать об их природе и нельзя объяснить различия в их свойствах особенностями различия в их структуре.