В ходе такой реакции барионное число сохраняется, так как вместо протона (+1) появляется нейтрон (+1). Сохраняется и электронное число — антинейтрино (–1) заменяется позитроном (–1).
Коуэн и Райнес подсчитали, что в используемой ими водной мишени взаимодействия антинейтрино и протона должны происходить 3 раза в час. Неудобство заключалось в том, что одновременно происходило и огромное количество других явлений, связанных с космическими лучами, паразитными радиоактивными излучениями и т. п. Вначале эти нежелательные явления происходили в несколько раз чаще, чем искомые реакции антинейтрино. Со временем их количество удалось сократить до допустимого предела с помощью мощного экранирования, отсеивающего большую часть поступающих извне субатомных частиц, но конечно же не представляющего преграды для антинейтрино.
Оставалось лишь точно и с максимальной долей уверенности зафиксировать взаимодействие антинейтрино. В процессе этого взаимодействия образуются позитрон и нейтрон. Позитрон сразу же вступает в реакцию с электроном, сопровождающуюся испусканием в противоположных направлениях гамма-лучей известного запаса энергии.
Образующийся в результате взаимодействия нейтрон через несколько миллионных долей секунды поглощается атомами кадмия (кадмий в форме соединения хлорида кадмия добавляется в воду как раз в целях поглощения нейтронов), после чего атом кадмия, приведенный лишним нейтроном в возбужденное состояние, испускает гамма-луч (а иногда и три гамма-луча) известной частоты. Именно эта цепочка событий — испускание двух гамма-лучей определенной частоты, а затем испускание еще одного гамма-луча определенной частоты — и является признаком существования антинейтрино. Насколько известно, никакая другая частица не вызывает аналогичной цепочки событий.
В 1956 году по этой характерной схеме гамма-излучения удалось обнаружить существование нейтрона. Предположение, сделанное Паули еще 25 лет назад, наконец-то подтвердилось.
Мюон
Пока Паули изучал непрерывный спектр бета-излучения, возник еще один, не менее сложный вопрос.
Объем атомного ядра составляет примерно 10–40 см. Сила электромагнитного отталкивания между находящимися столь близко друг к другу протонами колоссальна. Пока ученые считали, что в ядре также существуют и электроны, можно было предположить, что сила взаимного электромагнитного отталкивания электронов (которая также очень высока) компенсирует силу отталкивания протонов. Таким образом, электроны являлись «ядерным цементом». Внутреннее строение ядра объяснялось с точки зрения электромагнитных сил, как и взаимосвязь атомов и молекул.
Устойчивость ядра можно объяснить, лишь предположив, что между нуклонами существует действующая только на крайне небольшом расстоянии сила взаимного притяжения, гораздо сильнее силы отталкивания.
В начале 1930-х годов в результате развития квантомеханического анализа было сделано предположение, что сила, действующая на таком расстоянии, на каком действует электромагнитная сила, возникает за счет испускания и поглощения фотонов. Обменивающиеся фотонами заряженные частицы испытывают обменные силы.[142] Термин был предложен Гейзенбергом в 1932 году. По аналогии было сделано предположение, что сила гравитации действует за счет испускания и поглощения гравитонов (см. гл. 13).
И электромагнитные силы, и сила гравитации, разница между которыми заключается лишь в площади испускающей их поверхности, действуют на расстоянии космического масштаба.
Однако предполагаемая ядерная сила должна действовать лишь на крайне небольшом расстоянии: большом внутри ядра и незначительном — за его пределами. В большом атомном ядре ядерная сила должна действовать лишь в пределах его диаметра. Возможно, именно поэтому ядра более тяжелых элементов с такой легкостью вступают в реакцию деления ядра.
Японский физик Хидоки Юкава (1907–1981) задался целью выяснить механизм столь необычайно большой силы со столь коротким радиусом действия. Я расскажу вам о его умозаключениях в упрощенном виде, не вдаваясь в квантомеханические подробности. Согласно принципу неопределенности невозможно точно определить одновременно и местоположение, и импульс. Погрешность определения одного из них, умноженная на погрешность определения другого, приблизительно равна постоянной Планка. Местоположение и импульс можно заменить на энергию и время. Получается, что невозможно определить точное количество энергии системы в определенный момент времени. Всегда существует небольшой период, во время которого количество энергии невозможно определить точно. Погрешность измерения количества энергии, умноженная на погрешность определения времени, опять-таки приблизительно равна постоянной Планка.
142
Вообще-то физики постепенно отказываются от слова «сила», предпочитая для описания результатов испускания и поглощения фотонов использовать термин «взаимодействие».