Семейство нейтрино

При радиоактивном распаде протон иногда переходит в нейтрон и наоборот, изменяя атомный номер. Специалисты по квантовой физике обнаружили, что в спектре электронов при бета-распаде нарушается закон сохранения энергии!

При альфа-распаде ядра испускают альфа-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Атомный номер при этом уменьшается на два, а атомная масса на 4 а.е.м. (атомная единица массы, известная как дальтон). Выяснилось, что существует две формы бета-распада. В первой нейтрон превращается в протон, а поскольку нейтрон нейтральный и чуть тяжелее протона, то избыток массы и заряд выбрасываются в виде электрона — бета-частицы.

Детекторы нейтрино располагают глубоко под землей, чтобы защитить их от нежелательного «загрязнения» другими частицами. Этот детектор расположен в Канаде на глубине 2000 м. Огромная сфера заполнена водой, которая при пролете нейтрино дает вспышку черенковского излучения. Каждую секунду Землю пронзает огромное количество нейтрино, но даже в таком огромном детекторе регистрируется лишь ничтожная доля этих частиц

Квантовая теория утверждает, что в ядре есть энергетические уровни. Спектр же электронов бета-распада оказался непрерывным, что означает, что нарушаются законы сохранения массы, электронного (лептонного) заряда, импульса и спина (у альфа-частиц он имел дискретные энергетические уровни).

Предположили, как и в 1920-е годы — когда выявили несоответствие атомного номера и атомной массы, — что виной третья нейтральная частица — «нейтрон». Но к 1932 году название закрепилось за тяжелой нейтральной частицей в ядре атома. Новая же частица была электрически нейтральна, однако имела малую массу покоя. Тогда Энрико Ферми изменил название на итальянский манер. Получилось «нейтрино» — «нейтрончик».

На этой схеме показаны оба вида бетараспада. Нейтрино выбрасывается из ядра под действием слабого ядерного взаимодействия, и потом на него воздействуют лишь силы гравитации. Но поскольку у нейтрино бесконечно малая масса, то и гравитация едва ли влияет на нее

Существует еще одна форма бета-распада: протон может выбрасывать позитрон и нейтрино, превращаясь в нейтрон. При электронном распаде возникает антинейтрино (частица антивещества), при позитронном распаде — нейтрино. Выделяют также электронный захват — протон ядра захватывает орбитальный электрон и превращается в нейтрон.

Нейтрино участвует в гравитационном взаимодействии, игнорируя электромагнитное. Потому эти частицы сложно обнаружить. Лишь в 1956 году зарегистрировали первое антинейтрино, да и то опосредованно — по аномальному углу треков связанного с бета-распадом электрона. Установлено, что при бета-распаде образуются нейтрино со своим «ароматом» — электронные нейтрино и антинейтрино. В реакциях с выбросом мюона (более тяжелый аналог электрона) при столкновении частиц высвобождаются мюонные нейтрино и, соответственно, антинейтрино. Их обнаружили в 1962 году, а в 2000 году наблюдали уже тау-нейтрино и анти-тау-нейтрино, связанные с таоном (тау-лептоном) — короткоживущим лептоном тяжелее мюона. В 2001 году открыты «нейтринные осцилляции» — спонтанные превращения электронного, мюонного и таонного нейтрино друг в друга и в антинейтрино.