Жизнь и идеи Бруно Понтекорво - Михаил Сапожников

Рис. 41-2. Взаимодействие нейтрино в конечном состоянии.

Откуда мы знаем, что константа взаимодействия F нейтрино с нейтрино имеет ту же величину, что и константа слабого взаимодействия G? Может нейтрино участвовать в сильном взаимодействии? Или, точнее, откуда мы знаем, что нейтрино участвует только в слабом взаимодействии? Из какого эксперимента можно узнать что-то о силе взаимодействия нейтрино с нейтрино?

Этот вызов так увлек Бруно, что, как вспоминает Самоил Михелевич, обсуждение затянулось до позднего вечера, а рано утром Бруно разбудил Биленького и предложил возможное решение. [41]

Рассмотрим такой распад π-мезона:

π+ → e+ + νe (48)

Предположим, энергия π-мезона строго фиксирована, например, он покоится. Тогда позитрон и нейтрино уносят, грубо говоря, одинаковую энергию и энергетический спектр позитрона – это одна линия в районе 70 МэВ. Если же есть взаимодействие нейтрино с нейтрино, то в конечном состоянии реакции (48) возможно образование еще пары нейтрино, то есть реакция

π+ → e+ + νe + νe + ν—e (49)

Это приведет к тому, что энергетический спектр позитрона будет несколько размазан, помимо основной линии в нем возникнет небольшой «наплыв» при меньших энергиях. Величина этого наплыва будет зависеть от соотношения констант взаимодействия G и F.

Эта красивая идея была изложена в работе [131], повлекшей за собой серию экспериментов, последний из которых был сделан уже на ускорителе LEP в ЦЕРН. Аномально сильного взаимодействия нейтрино обнаружено не было, константы G и F оказались приблизительно одинаковыми, но здесь важен сам подход Бруно: даже лихая идея о сильном взаимодействии нейтрино не была отвергнута с порога. Реакция Бруно была всегда предельно конкретна: какие эксперименты можно поставить для проверки?

Сильное взаимодействие нейтрино – не единственная «сумасшедшая» идея, над которой работал Бруно. Долгое время его занимала проблема долгоживущих метастабильных частиц. Бруно призывал не забывать о существовании возможных нетривиальных частиц, которые в силу неизвестных нам сегодня принципов могут иметь долгое время жизни. В статье [132] он рассматривал возможность детектирования частиц со временем жизни большим 10-8 секунд – типичным временем слабого взаимодействия. Он называл такие эффекты – «новая радиоактивность».

Опять же, Бруно не спекулировал о том, какие механизмы могут порождать долгоживущие частицы. Его логика, как и в случае с рассмотрением универсальности слабого взаимодействия, как для осцилляций нейтрино, как и размышлений о сильном взаимодействии нейтрино – всегда была одинакова: предположим, такой феномен существует, как нам можно его измерить, какие реакции можно было бы наблюдать и каким экспериментальным способом это лучше сделать?

42. Статья, возникшая на железнодорожном переезде

Есть легенда, что однажды Бруно с Львом Борисовичем Окунем возвращались в Дубну на машине и застряли на железнодорожном переезде. Стояли они очень долго, минут 20. Естественно, стали обсуждать физику переходов K0 → K—0. И тут к ним пришла идея, которую они прямо на переезде проверили, а когда приехали в Дубну, сразу написали статью [133]. Примечательна она своей простотой и четким физическим содержанием.

Мы говорили о том, что переходы K0 → K—0  идут через цепочку процессов:

В каждом таком процессе странность изменяется на 1. Бруно с Окунем задумались, а может ли странность меняться на две единицы? И переход выглядит таким образом

Пока стояли на переезде, выяснили: нет, такого быть не может, исходя из простого анализа размерностей.

Их рассуждения были таковы: если идет цепочка процессов (50), за которую ответственно слабое взаимодействие, то разность масс ∆m собственных состояний каонов должна быть пропорциональна квадрату константы слабого взаимодействия G

Δm ∼ G2 (52)

Константа слабого взаимодействия – константа Ферми – имеет размерность:

G = 10-5 /M2= 1,17 10-5 ГэВ-2 (53)

где M – масса протона. Поэтому, чтобы получить правильную размерность, надо правую часть уравнения (52) умножить на пятую степень какой-то типичной массы. Уравнение, которое Бруно с Окунем написали «на коленке», выглядело так

Δm ∼ G2 ∼ (0,1 G)2 m5 (54)

Фактор 0,1 появился в (54), поскольку слабые взаимодействия со странными частицами подавлены по сравнению с обычными слабыми взаимодействиями.

Но какую типичную массу m надо брать в уравнении (54)? Не мудрствуя, они подставили в (54) массу каона – m = 498 МэВ. Тогда получили, что

Δm ∼ 10-11 МэВ (55)

что довольно близко к правильному значению (26) Δm ∼ 10-12 МэВ

Если же переход K0 → K—0 осуществлялся через скачок странности на две единицы, как показано в (51), то ∆m должна быть пропорциональна G, и для достижения правильной размерности нужно умножать правую часть на третью степень массы

Δm ∼ G ∼ (0.1 G) m3 = 0,144 х 10-3 МэВ (56)

Это на 8 порядков больше, чем экспериментальное значение (26). Колоссальное расхождение. Отсюда был сделан вывод о том, что обычное слабое взаимодействие не может порождать процессы с |∆S = 2 |.

В этой статье нет завораживающих идей и оригинальных предложений. Но история ее написания учит нас, что прикидки «на пальцах» тоже важны и могут подсказывать нам правильный ответ прежде, чем выписывание сложных формул.

43. Профессор МГУ

Вы выбрали такую профессию, при которой без ежедневной, упорной и кропотливой работы невозможно получить удовлетворение, то есть достичь успехов в научных исследованиях. С другой стороны, если вы их достигли, трудно найти другую область человеческой деятельности, которая приносит такое наслаждение, как научная работа.

Б. М. Понтекорво. Напутствие выпускникам кафедры физики элементарных частиц МГУ

С 1966 по 1986 г. Бруно заведовал кафедрой физики элементарных частиц физического факультета МГУ (https://t.me/bruno_pontecorvo_photo/29). Эту должность он получил после смерти В. И. Векслера. Необычность этой кафедры МГУ была в том, что она находилась в Дубне. Студенты жили в Дубне, здесь им читали лекции, они проходили дипломную практику в лабораториях ОИЯИ. Кафедра готовила физиков-экспериментаторов.

К этой своей обязанности Бруно относился исключительно ответственно. Он говорил: «Преподаватель получает от процесса обучения ничуть не меньше, чем студент, которому он преподает». Бруно не только читал лекции, но и активно занимался всеми аспектами преподавательской жизни – от привлечения студентов на кафедру до их трудоустройства. Регулярно проходили заседания кафедры, на которых обсуждались и работа студентов, и содержание лекций преподавателей [45] (https://t.me/bruno_pontecorvo_photo/32). Что было совсем нетривиально – содержание курсов могли изменить в зависимости от мнения студентов. Например, в 1976 г. студенты попросили увеличить объем материала, читаемого по физике элементарных частиц, и ввести теорпрактикум – решение стандартных задач. Так к преподаванию на кафедре был привлечен молодой кандидат