Обилие экспериментальных данных по слабым взаимодействиям позволило сформулировать несколько теорий фундаментальных процессов слабых взаимодействий. Большинство этих теорий строится на том, что все наблюдаемые слабые взаимодействия происходят в два этапа, точнее за одним виртуальным переходом следует другой, давая в результате наблюдаемый процесс. В этом отношении наблюдаемые слабые взаимодействия аналогичны процессам рассеяния двух нуклонов или двух электронов, которые, как мы видели, описываются в виде последовательности двух виртуальных процессов. В случае рассеяния электрона на электроне эти два этапа включают испускание и поглощение виртуальных фотонов. Исходя из этой аналогии, можно спросить, какого типа частица может испускаться или поглощаться, чтобы это могло привести к наблюдаемому процессу слабого взаимодействия.
Существенным указанием на то, какого типа частица может передавать слабые взаимодействия, служит тот факт, что процессы слабого взаимодействия с участием лептонов при изменении импульсов последних меняются по простому закону. Например, сечение рассеяния нейтрино прямо пропорционально энергии нейтрино. В отличие от этого сечения рассеяния электрона на протоне или электрона на электроне очень велики при малых энергиях и при фиксированном угле рассеяния имеют тенденцию к уменьшению с ростом энергии. Причиной этого служит нулевая масса виртуального фотона, которым обмениваются частицы при рассеянии. Между радиусом взаимодействия и массой частицы, производящей обмен, существует взаимосвязь, вытекающая из соотношения неопределенностей Гейзенберга. Согласно этому соотношению, благодаря нулевой массе фотона два заряда могут взаимодействовать даже тогда, когда они находятся очень далеко, друг от друга, этим и объясняется большое сечение рассеяния при малых энергиях.
Отсутствие подобного явления в рассеянии нейтрино, а также в других слабых процессах указывает на то, что масса частицы, которой производится обмен в этих процессах, отлична от нуля. Действительно, детально анализируя ожидаемое изменение сечения рассеяния, можно показать, что такая частица должна иметь энергию покоя не менее 10 ГэВ, а, по всей вероятности, даже значительно больше.
Другие выводы, которые можно сделать относительно гипотетической частицы, обмениваемой в слабых взаимодействиях, касаются ее спина и заряда. Рассмотрим, например, бета-распад нейтрона. Естественно предположить, что первая стадия его включает превращение нейтрона в протон одновременно с испусканием виртуальной частицы. Вторая же стадия должна тогда представлять собой распад виртуальной частицы на электрон и антинейтрино. В других вариантах можно было бы говорить о превращении нейтрона в лептон с последующим распадом виртуальной частицы на протон и лептон. Однако это представляется менее вероятным, если учесть большую разницу между массами адронов и лептонов.
Эксперимент по слабому взаимодействию
Чтобы дать читателю некоторое представление о технике эксперимента и проблемах физики высоких энергий, мы детально опишем первый эксперимент, в котором наблюдались взаимодействия с участием нейтральных токов при рассеянии нейтрино на адронах. Эксперимент проводился в лаборатории ЦЕРНа в Женеве (Швейцария). Статью, содержащую результаты этого эксперимента, подписали пятьдесят пять физиков, по крайней мере, из семи стран. Это весьма характерная ситуация для многих современных экспериментов в области физики высоких энергий. Количество технических сотрудников, участвовавших в работе, было, по-видимому, значительно больше.
Опыт начинается с ускорения протонов до энергии около 26 ГэВ на протонном синхротроне ЦЕРНа. Эти протоны, выведенные из синхротрона с помощью магнитов, образуют внешний пучок, в каждом импульсе которого содержится примерно 1013 протонов, и импульсы следуют друг за другом через 2,5 с. Внешний пучок направляется на мишень из бериллия длиной около 30 см. Такие размеры мишени достаточны для того, чтобы большинство протонов, проходя через мишень, по крайней мере, однократно провзаимодействовали. Результат этих взаимодействий, состоит в том, что в каждом столкновении протона с ядром в среднем рождается несколько пионов. Ввиду высокой энергии падающих протонов, а также ввиду того что у образующихся пионов компоненты импульсов, перпендикулярные пучку, малы, пионы продолжают движение в направлении, примерно совпадающем с направлением падающего пучка; средний угловой разброс пучка составляет лишь несколько градусов. Заряженные пионы могут быть фокусированы магнитными полями и направлены в туннель длиной 70 м. Подбирая соответствующие величины магнитных полей, удается отрицательные пионы. Нейтральные пионы сфокусировать нельзя, и, кроме того, они слишком быстро распадаются, чтобы их можно было использовать. Заряженные пионы движутся со скоростью около 0,9999 скорости света. При таких скоростях эффект замедления времени увеличивает период их полураспада примерно до 10-6 с (для покоящегося пиона он составляет 2-10~8 с). За это время пионы могут пройти в среднем около 300 м, а это означает, что только около 25% пионов испытают распад в 70-метровом туннеле. Поэтому каждый импульс ускорителя приводит к распаду в туннеле около 1012 пионов.
Продукты распада положительного пиона — это обычно положительные мюоны и мюонные нейтрино, тогда как у отрицательного пиона — отрицательные мюоны и мюонные антинейтрино. Поэтому в зависимости от типа сфокусированных пионов удается провести отбор среди продуктов реакции нейтрино и антинейтрино с характерными энергиями 1 – 2 ГэВ. Такое снижение энергии по сравнению с начальной энергией протонов обусловлено ее последовательным распределением между несколькими адронами, рождающимися в первоначальном столкновении с мишенью, и дальнейшим распределением энергии пионов между мюоном и нейтрино. Энергия нейтрино фактически меняется от частицы к частице и зависит от направления движения нейтрино. Причина этого — эффект Доплера, совершенно аналогичный эффекту Доплера для света. Все нейтрино, испускаемые покоящимся пионом, имеют одинаковые энергии, но когда пион движется, энергия нейтрино испытывает доплеровский сдвиг, зависящий от угла между направлениями движения пиона и нейтрино. Полученные нейтрино сохраняют тенденцию к движению в том же направлении, в каком двигались исходные адроны, так как компоненты их импульсов в поперечном направлении, возникшие в результате распада пионов, малы по сравнению с компонентами их импульсов в продольном направлении, полученными за счет скорости исходных протонов. В условиях описываемого эксперимента число нейтрино, выходящих из туннеля, составляет примерно 1012 в каждом импульсе ускорителя. Следовательно, каждый протон в исходном пучке приводит в конечном результате к появлению одного нейтрино.
Однако помимо нейтрино (или антинейтрино) из туннеля после распада выходит много других частиц, в том числе мюоны, нераспавшиеся пионы, другие адроны, попавшие в туннель при фокусировке, и т. д. Присутствие всех этих частиц в детекторе нейтрино весьма нежелательно, поскольку они имеют значительно большее сечение рассеяния по сравнению с нейтрино. Точнее, адроны в детекторе могут испытывать сильные взаимодействия, мюоны или фотоны — электромагнитное взаимодействие и т. д., причем названные взаимодействия значительно более вероятны, чем слабые взаимодействия нейтрино. Все это чрезвычайно затруднило бы выделение взаимодействий нейтрино на фоне не представляющих интереса более сильных взаимодействий.
