Жизнь и идеи Бруно Понтекорво - Михаил Сапожников

Если приготовить в начальном состоянии пучок чистых К0-мезонов и позволить ему свободно распространяться, то со временем число К0-мезонов сначала действительно будет уменьшаться, причем в пучке К0 начнут возникать K—0-мезоны, что соответствует нашим интуитивным ожиданиям. Но если мы продолжим наблюдения, то увидим, что число К0-мезонов перестанет падать и даже начнет увеличиваться, а число K—0-мезонов, соответственно, уменьшаться (см. Рис. 34-1). Такие вариации числа К0-мезонов будут продолжаться и дальше с уменьшающейся амплитудой. Этот эффект называется осцилляциями в системе К0-K—0-мезонов.

Рис. 34-1. Вероятность наблюдения K0 и K—0-мезонов в зависимости от времени, выраженного в единицах времени жизни короткоживущего K-мезона τS.

В нашем повседневном мире, казалось бы, нет ничего подобного осцилляциям каонов. Конечно, русскую народную песню «Летят утки, летят утки и два гуся» можно рассматривать как рассказ о том, что в момент t0 летели утки, а в момент t1 в стае уток появилось два гуся. Но поскольку в песне не прослеживается, что в дальнейшем, по мере движения, число уток опять восстанавливается, мы не можем считать это полноценным описанием осцилляций в системе утки-гуси.

Однако механический аналог явления осцилляций каонов существует. Это два маятника, связанные слабой пружинкой. Такую игрушку подарили Бруно на 70-летие Л. Микаэлян и А. Боровой из Курчатовского института.

Если отклонить один из маятников, на Рис. 34-2 он справа, то скоро его колебания начнут затухать, а другой, левый, маятник начнет раскачиваться со все более возрастающей амплитудой. Затем процесс повторится: левый маятник замедлит свои колебания, а колебания правого маятника начнут возрастать. Если закрыть экраном один из маятников, то можно показывать изумленному зрителю фантастический маятник с переменным периодом колебаний[34].

Рис. 34-2. Осцилляции в системе связанных маятников.

Осцилляции каонов возникают за счет красивого квантового эффекта интерференции амплитуд процессов с частицами разной массы. В Сильном мире массы K0 и K—0 строго одинаковы. Но включение слабого взаимодействия приводит к расщеплению единого уровня K0 и K—0 на два состояния – K10 и K20 с разными массами[35]. То есть, вброшенные в мир Слабых взаимодействий, K0 и K—0 начинают ощущать, что являются смешанными состояниями из симметричной [36] и антисимметричной комбинаций K10 и K20:

Разность масс K10 и K20 фантастически мала (и это крайне существенно для возникновения осцилляций):

Ее надо сравнить с массой K0, которая составляет 498 МэВ. То есть величина ∆m составляет всего лишь 10-15 от массы K0. Но с точки зрения Слабых взаимодействий K10 и K20 – совершенно разные частицы, у них разные времена жизни. K20 живет более чем в 100 раз дольше, чем K10.

Сегодня мы знаем, что эффекты осцилляций возникают не только у нейтральных К-мезонов, но и у всех других нейтральных мезонов, где вместо странного есть, например, c-кварк (переходы D0– D—0 ) или b-кварк (переходы B0– B—0). Вид осцилляций, их амплитуда и частота для разных семейств нейтральных мезонов отличаются, но сам механизм остается одним и тем же: в Слабом мире есть два состояния с близкими, но разными массами. В Сильном мире рождается их смесь, а интерференция их квантовых состояний приводит к тому, что процентное соотношение массовых состояний в смеси со временем меняется.

Бруно подумал, что аналогичное явление может происходить и в системе нейтрино-антинейтрино. Он предполагал, что нейтрино рождаются по слабому взаимодействию, но если есть еще некоторое сверхслабое взаимодействие, которое не сохраняет лептонные числа, то осцилляции нейтрино-антинейтрино вполне допустимы.

Бруно рассматривал явление осцилляций применительно к самым разным системам. В статье 1957 г. [105] он выбрал очень необычную систему – мюоний. Это экзотический атом, в котором электромагнитное взаимодействие удерживает электрон и положительно заряженный мюон. Бруно задался вопросом – может ли мюоний переходить в антимюоний?

Но в последнем абзаце статьи [105] речь заходит о нейтрино:

«Выше предполагалось, что имеет место закон сохранения нейтринного заряда, означающий, что нейтрино при рассеянии не может превращаться в любом приближении в антинейтрино. Этот закон еще не установлен: пока, по-видимому, установлено только, что нейтрино и антинейтрино не являются тождественными частицами. Если теория двухкомпонентного нейтрино оказалась бы несправедливой (что в настоящее время маловероятно) и если бы не имел место закон сохранения нейтринного заряда, то, в принципе, переходы нейтрино-антинейтрино в вакууме возможны».

Итак, отметим, что Бруно говорил о реализации единственной известной в то время возможности – перехода нейтрино в антинейтрино. Что же было известно про свойства нейтрино в середине 50-х годов?

Тогда безраздельно доминировала теория двухкомпонентного нейтрино. Она была предложена четырьмя Нобелевскими лауреатами – Л. Ландау, А. Саламом, Т. Д. Ли и Ч. Янгом. Это красивое построение предполагало, что нейтрино – безмассовая частица. Если масса частицы строго равна нулю, то для нее проекция спина на направление импульса, которое называется спиральностью, – хорошее квантовое число, сохраняющееся во всех взаимодействиях. У нейтрино проекция спина на направление импульса – отрицательная, а у антинейтрино – положительная. Частицы с положительной спиральностью (антинейтрино) называются правыми, с отрицательной спиральностью (нейтрино) – левыми (Рис. 34-3). Причем в слабых взаимодействиях участвуют левые фермионы и правые антифермионы.

Предполагалось, что нейтрино подчиняется теории Дирака, которая описывает частицы и античастицы, образующие четырехкомпонентный спинор. У каждого фермиона есть свой антифермион с одинаковой массой и по два состояния левой и правой спиральности. Схематично это показано на Рис. 34-4 а. Например, электрон существует в четырех ипостасях: левый и правый электрон плюс левый и правый позитрон. Однако, если у частицы нет массы, то остаются только два состояния, для безмассового нейтрино это левое нейтрино νL и правое антинейтрино ν—R. На этом языке предложение Бруно о переходе реакторного антинейтрино в нейтрино означало бы переход правого антинейтрино в левое нейтрино что невозможно в силу сохранения спиральности для безмассовых частиц.

Рис. 34-3. Нейтрино и антинейтрино в теории двухкомпонентного нейтрино.

Однако важно отметить, что Бруно никогда и не делал этого утверждения, которое ему впоследствии много раз ошибочно приписывали. В статье [105] никаких формул нет, а что конкретно имел в виду Бруно под переходами нейтрино-антинейтрино, проясняется в его следующей работе [106], написанной в 1958 г. Там Бруно предлагает следующее: