|||

Непознанные тонкости бета-распада

Принято считать, что в масштабах элементарных частиц и атомных ядер действует еще один вид фундаментальных взаимодействий — сильное взаимодействие. Само понятие сильного взаимодействия возникло в 1930-х годах для обоснования сил, которые связывают протоны и нейтроны в ядре атома. Ученые того времени не могли объяснить природу сил, удерживающих протоны и нейтроны в атомном ядре. По их мнению, ни гравитационное, ни электромагнитное взаимодействие не могли быть причиной таких мощных ядерных связей между протоном и нейтроном.

 Это явилось причиной разработки в 1935 году японским физиком Х. Юкавой теории взаимодействия нуклонов (напомню, что это протоны и нейтроны в одном лице), основывающуюся на обмене между ними гипотетическими частицами «пионами». Суть теории состояла в том, что один нуклон испускает пион, а другой его поглощает. Это и определяло притяжение или отталкивание двух нуклонов. Вот так просто, хотя и не очень понятно. Вопрос: «Так почему же они, все-таки, притягиваются, да еще и с такой мощной силой?» так и остался без внятного ответа.

 Понимая изъяны этих теоретических размышлений, ученые в 1970-х годах предложили новую, более сложную теорию сильного взаимодействия, основанную на цветовом взаимодействии между кварками и глюонами. Эта теория, принимая во внимание постулаты квантовой механики о строении протонов и нейтронов из кварков, получила громкое и красивое название «квантовая хромодинамика».

 Позвольте не утруждать вас ее глубинами, тем более, что нам уже понятно, что нейтроны и протоны не состоят из кварков, а формируются из частиц — электронов и позитронов. Это мы уже вполне осознали во время нашего второго путешествия «Глубины Вселенной».

 Кроме того, полагать, что великие силы притяжения нейтронов и протонов в ядре атома могут быть обеспечены неким обменом неких глюонов с нулевой массой и нулевым электрическим зарядом, которые изменяют какой-то «цвет» каких-то кварков, на мой взгляд, не совсем корректно, так как не ясны даже конструкции этих взаимодействующих микрообъектов.

 Да, и не очень-то верится, что Тот, кто создавал окружающий нас Мир, мог пойти таким замысловатым путем. Мир отшлифовывался триллионы триллионов лет, приближаясь к самым простым и самым надежным конструкциям и системам, которые должны функционировать в автоматическом режиме, самоорганизовываясь и саморазвиваясь.

 Рассмотрение и понимание Вселенной с точки зрения простоты и надежности ее устройства требуют совершенно других подходов в современной науке. Только они приведут к истинным знаниям. Все должно быть просто и понятно.

 Именно, поэтому, мы в нашем путешествии и хотим добраться до вершин истины, не используя логарифмической линейки и компьютерных программ, основанных на мощном математическом аппарате. И если мы сумеем понять и объяснить все явления этого Мира без трехэтажных формул, многостраничных математических обоснований и надуманных виртуальных частиц, то, значит, мы, вполне вероятно, на верном пути.

 Мы, конечно же, предложим свое видение проявления фундаментальных взаимодействий и сильного в том числе, если, конечно, определимся в его наличии. Но чуть позже, после того, как выскажем свои мысли по отношению к тому, чем сегодня оперирует наша современная наука.

 Размышления

Известно, что процесс естественного преобразования одних атомов в другие называется бета-распадом и представляет собой радиоактивный распад или радиоактивность. Естественная радиоактивность — это самопроизвольный распад атомных ядер тяжелых химических элементов. Это чрезвычайно важное природное явление, позволяющее заглянуть в структуру атома и элементарных частиц и получить подтверждение или опровержение тех или иных предположений о строении атома и составляющих его частиц. Поэтому нам крайне интересно разобраться в этом замечательном природном явлении и проверить наши взгляды и предположения о строении электрона, позитрона, протона, нейтрона и атомного ядра.

 В начале двадцатого столетия исследователи обнаружили явление, при котором в процессе естественной радиоактивности, от некоторых химических элементов исходит поток отрицательно или положительно заряженных частиц, получивших название «бета-частиц». Кроме того, в результате наблюдений и экспериментов ученые доказали, что нейтроны в атомном ядре химического элемента превращались в протоны, преобразовывая один химический элемент в другой.

 Этот преобразованный химический элемент располагался в периодической таблице непосредственно перед исследуемым элементом. Исследователи назвали это явление бета-минус-распадом (рис.51). Основы теории бета-распада были созданы обладателем Нобелевской премии Э. Ферми в 1934 году.

 

 

Рис. 51. Процесс бета-минус-распада цезия и преобразование атома цезия в атом бария

В соответствии с этой теорией, при бета-минус-распаде нейтрон, испуская электрон превращается в протон. Поэтому атом цезия, например, превращается в атом бария и в результате этого превращения из ядра атома цезия испускался электрон. Все, вроде, замечательно, но здесь-то и начинают возникать вопросы.

 

 Если ядро атома состоит только из протонов и нейтронов, то почему из нейтрона, входящего в ядро атома, вдруг выделяется электрон, а нейтрон превращается в протон? Значит ли это, что нейтрон состоит из электронов?

 

 Вопросы к строению и структуре ядра атома после обнаружения явления радиоактивности возникали не раз. Получая результаты экспериментов, многие исследователи стали выдвигать гипотезы о наличии в ядре атома электронов. Радиоактивность и бета-распад атомных ядер выступали мощным аргументом, подтверждающим правильность их позиции.

 Однако, это полностью противоречило новой теории — квантовой механике. Естественно, что от только что родившегося «дитя», никто не решался избавиться. Сторонников квантовой механики не по дням, а по часам становилось все больше и больше. И примитивная сила масс, как это часто случается в жизни, вновь одолела разум одиночек. Про электрон предпочли не вспоминать.

 Новая квантовая теория открывала новые возможности, но и ставила новые вопросы. Баланс энергии до бета-распада и после него не сходился. Это привело к тому, что даже на закон сохранения энергии стали поглядывать с некоторым недоверием. Физику и философию нужно было срочно подстраивать под квантовую механику, хотя, было бы гораздо проще просто досконально разобраться с бета-распадом.

 Спасатели нашлись в лице лауреатов Нобелевской премии В. Паули и Э. Ферми. В. Паули смело предположил, что при бета-распаде кроме электрона и протона испускается еще одна нейтральная частица, которая раньше просто не наблюдалась, а Э. Ферми не менее решительно в 1934 году назвал эту частицу «антинейтрино» и опубликовал удачную на то время модель бета-распада. Мир был спасен, честь мундира не пострадала. Баланс энергии сошелся! Квантовая теория решительно доказала свою непогрешимость. Однако, через некоторое время эйфория отступила, и вновь стали появляться вопросы и новые, и старые.

 К сожалению, одна ошибочная позиция непременно тянет за собой множество других неверных выводов. Это неминуемо и произошло, когда было обнаружено, что при радиоактивности испускаются не только отрицательно заряженные частицы, но и положительные. По массе они были идентичны и различались только знаком электрического заряда. В соответствии с предположениями исследователей эта положительно заряженная частица — обыкновенный позитрон и испускается он из протона одновременно с нейтрино, превращая один химический элемент в другой. Такой процесс назвали бета-плюс-распадом (рис. 52).

 

Рис. 52. Процесс бета-плюс-распада натрия и преобразование
 атома натрия в атом неона

Позвольте, позвольте, скажете вы! Позитрон — это ведь античастица, которая при встрече с частицами должна аннигилировать. И будете правы, так как по всем принятым наукой канонам при встрече любого представителя материи с представителем антиматерии должно произойти взаимное уничтожение или преобразование частиц и античастиц с выделением огромного количества энергии. Ядро атома и все, что вокруг него должно просто развалиться от энергии, выделяющейся при их взаимном уничтожении.

 Спокойно! Кричать и топать ногами нет никакого смысла. Более того, вас немедленно остановят и строго привлекут к соблюдению общественного порядка, так как вы можете потревожить ничего об этом не подозревающую и уже принятую научным миром Стандартную модель. А модель она, как правило, особа важная и как все важные модельные особы в немалой степени капризная.

 Вероятно, Высшие Силы, для того чтобы направить человечество по верному пути в деле изучения атома и его ядра, достаточно оперативно предоставили научному миру еще одну подсказку, позволяющую задуматься над структурой ядра атома и его составляющих.

 В 1938 году американский физик обладатель Нобелевской премии Л. Альварес обнаружил еще одно явление, которое получило вполне боевое название — «электронный захват». Суть этого явления заключается в том, что при электронном захвате один из протонов атомного ядра захватывает электрон этого атома и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино (рис. 53).

 

Рис. 53. Электронный захват

Таким образом, возникла вполне вероятная возможность задуматься над тем, что если протон захватывает электрон и превращается в нейтрон, значит электроны вполне логично могут быть составными частями и протона, и нейтрона!

Подсказка была дана. Но сияние постулатов квантовой механики затмило рациональный подход к исследованию этого явления, и весь дальнейший ход событий пошел по ошибочному пути, который стартовал более семидесяти лет назад. Логичное предположение, что если электрон захватывается протоном, то этот протон должен и состоять из электронов, явно противоречило тому, что в протоне каким-то образом уже обосновались позитроны! Их стремительный полет мы прекрасно наблюдали при бета-плюс-распаде.

Но научные авторитеты сломить было не так просто. Как и зарождающуюся новую квантовую физику, которая активно поддерживалась не только исследованиями, но и значительными финансами. Поэтому ученые были уже вынуждены стоять на своем, полагая, что существует сильное взаимодействие, которое прочно удерживает нейтроны и протоны в ядре атома. Так принято и так будет. И все уже к этому, в общем-то, привыкли.

 Вместе с тем, закрыть глаза на процесс радиоактивного распада атома, при котором из его ядра выделяется или электрон, или его античастица позитрон, уже было нельзя. Вычеркнуть из научных достижений зафиксированное исследователями явление стало невозможным. Что же делать?!!! Научный мир терялся в смятениях…

 Именно тогда появились мысли о необходимости обоснования бета-распада ядра атома через введение четвертого вида фундаментальных взаимодействий — «слабого взаимодействия». Появились они не случайно, а вполне осмысленно, так как, сильное взаимодействие должно было прочно удерживать протоны и нейтроны в ядре атома и не давать им возможности отдаляться от этого ядра даже на небольшое расстояние. Это, с одной стороны.

 Вместе с тем, с другой стороны, исследователями было открыто явление бета-распада, в результате которого самопроизвольно, не взирая на все старания сильного взаимодействия, из ядра атома испускались электроны или позитроны, преображая протоны в нейтроны или нейтроны — в протоны.

 Этот факт не мог не нарушить научной идиллии в области фундаментальных взаимодействий. А так как он не находил внятных объяснений и выбивался из общей системы взглядов на устройство мира, то физики пошли уже проверенным путем — не вникая в устройство элементарных частиц и атомов, предложить новый термин, новую частицу или новую теорию. Так постепенно стали вырисовываться теоретические суждения о слабом взаимодействии.

 Однако, мы понимаем, что если в ядре атома действует мощное сильное взаимодействие, удерживающее нейтроны и протоны друг возле друга, то разве логично предполагать, что найдется значительно более слабая сила, способная самопроизвольно отрывать эти частицы друг от друга? Наверное, нет.

 Тогда причем здесь слабое взаимодействие или куда пропало сильное? Разве сильное взаимодействие вдруг становилось бессильным? Если нет ответов на эти вопросы, то это означает, что направление, в котором движется современная наука в понимании фундаментальных взаимодействий не совсем верно. Прошу прощения. Совсем не верно!

 Сама история теории слабого взаимодействия, так же прошла непростой и противоречивый путь, который начался в 1930-х годах усилиями Нобелевского лауреата Э. Ферми. В 1950-х годах американскими физиками Р. Маршаком и Д. Сударшаном была разработана новая версия теории слабого взаимодействия, которая позже была переоткрыта американскими физиками Р. Фейнманом и М. Гелл-Манном и названа V-А теорией. Что такое «переоткрыта» мне представить достаточно сложно, хотя это вполне понятно и не вполне корректно прокомментировал сам Р. Фейнман, который в 1963 году сказал, что «открытие V-А теории осуществили Сударшан и Маршак, а опубликовали ее Фейнман и Гелл-Манн». Не совсем ясно, что это — неудачная шутка или верх цинизма, тем более, что Д. Сударшан и Р. Маршак так и не стали лауреатами Нобелевской премии, а Р. Фейнман и М. Гелл-Манн с достоинством и большим удовольствием ее получили. И именно за эту теорию. Да, мир науки не прост, как впрочем и пути, которые этот самый мир выбирает.

 Но и эта теория просуществовала совсем не долго. Опять же, как вы понимаете, не случайно. Через несколько лет американские физики С. Вайнберг и Ш. Л. Глэшоу, а также пакистанский физик А. Салам предложили свою теоретическую интерпретацию проявления слабого взаимодействия, объединив его с электромагнитным взаимодействием и назвав это взаимодействие электрослабым.

Кстати, именно за нее все они получили Нобелевские премии в 1979 году.

 В основу теории был положен обмен кварков и лептонов безмассовыми фотонами. Этот обмен волшебным образом олицетворял электромагнитное взаимодействие и промежуточными векторными бозонами, без которых представить себе слабое взаимодействие было уже невозможно. При этом, оба взаимодействия различались при низких энергиях, а при высоких энергиях соединялись в единое электрослабое взаимодействие.

 В теорию были собраны все самые модные физические термины и понятия, которые являлись безоговорочным пропуском в лоно Стандартной модели и в когорту Нобелевских лауреатов: всеми любимые неуловимые и невидимые кварки, выручающие ученых в ситуации, когда их теории заходили в тупик; безмассовые фотоны, обеспечивающие электромагнитное взаимодействие; векторные калибровочные W- и Z –бозоны, гарантирующие слабое взаимодействие элементарных частиц и проч.

 Не сумев объяснить физическую суть слабого взаимодействия в частности, ученые попытались сделать это в общем. Две сути, два взаимодействия — в одном стакане? Удобно. Компактно! Не очень понятно и не совсем объяснимо, но красиво!!! А красота может позволить себе многое.

 И опять все просто и не оригинально — ответов на поставленные вопросы нет, но есть некие виртуальные частицы, которые успешно, по мнению некоторых ученых, справятся с любой поставленной научной задачей и вполне оправдают любые научные бюджеты. Не вызывало сомнений, что и эти научные предположения, опираясь на сложные математические вычисления, полностью подошли под стандарты Стандартной модели.

 Размышления

Так, что же это такое — слабое взаимодействие? Может быть его тоже, как и сильного взаимодействия, не существует? Но, ведь, такое природное явление как естественная радиоактивность существует. Явление — существует, а вот слабое взаимодействие в той интерпретации, которая принята современной наукой — нет.

 Современная трактовка явления естественной радиоактивности объясняет, что слабое взаимодействие при помощи переносчиков этого взаимодействия — векторных бозонов, обеспечивает элементарным частицам возможность превращаться друг в друга, изменяя свою энергию, массу и электрический заряд. В результате этого взаимодействия нейтроны превращаются в протоны с выделением электронов и антинейтрино, а протоны — в нейтроны с позитронами и нейтрино. Эти процессы были названы бета-распадом и мы его уже рассматривали.

 Однако, сам механизм преобразования протонов в нейтроны и нейтронов в протоны при бета-распаде так и не был раскрыт. Наука лишь констатировала эти преобразования, сосредоточившись на результатах воздействия, а не на объяснении причин, приводящих к этим результатам.

 Более того, исследователи упорно обходили вопросы, касающиеся появления античастиц, которые возникали в результате ядерных реакций в совокупности с различными обычными частицами. Действительно, как и каким образом при бета-минус-распаде появлялось антинейтрино, а при бета-плюс-распаде — позитрон, не находило должного объяснения. Да, и появление при бета-минус-распаде электронов так же ставил в тупик всю науку. Как электрон мог оказаться в нейтроне становилось совершенно не понятным.

 Именно тогда был попросту придуман некий бозон, волшебным образом появляющийся из недр несуществующих кварков, излучающий электрон и антинейтрино, но не объясняющий никаких механизмов этого процесса. Чтобы хоть как-то реабилитироваться, исследователи заявили, что всем управляют не ядерные и гравитационные силы, а некое слабое взаимодействие. Да, и бозон все это проделывает не в гордом одиночестве, а с неоценимой помощью так и необнаруженных кварков.

 Казалось бы, выход найден! Но выход крайне сомнительный и мы с этим, естественно, согласиться не можем, так как результаты экспериментов и наблюдений говорят об обратном!

 Поэтому, дорогие мои ученые, вы можете принимать все то, что вам более комфортно, а мы просто обязаны разобраться в этой ситуации досконально и без ссылок на авторитеты. Иначе, зачем же мы собрали эту экспедицию? Поэтому давайте все по порядку. Вновь мы вынуждены начать с начала, иначе тут не разобраться.

 Существование позитрона, как было уже отмечено, было предсказано английским физиком лауреатом Нобелевской премии П. Дираком. Согласно теории П. Дирака помимо электрона с отрицательным электрическим зарядом должна была существовать и равная ей частица, но с положительным зарядом. Без этой частицы теория не работала. В соответствии с теорией эти частицы могут рождаться парой.

 Такая частица была найдена американским физиком Нобелевским лауреатом К. Андерсоном, который и назвал ее позитроном. Однако, этой частице больше подошло бы название «протон», но это место было уже занято. Протон открыли раньше.

 Представление о протоне связывают с гипотезой, возникшей в научных кругах в начале двадцатого столетия, которая полагала, что все ядра всех химических элементов составлены из ядер атома водорода. Начиная с 1919 года, Э. Резерфорд в ходе экспериментов по изучению воздействия потоков альфа-частиц на ядра химических элементов наблюдал вылетающие ядра водорода, которые он и назвал протонами. Масса протона была явно больше массы электрона, но их равный и противоположный по знаку электрический заряд, тем не менее, предопределил совсем неравный, хотя и удивительно устойчивый «брак» этой необычной «семейной пары». Научные круги после недолгих колебаний приняли протон, как противоположную частицу электрона и стали пытаться построить модель атомного ядра на основе союза этих двух замечательных «молодоженов».

 Поэтому появление в 1932 году позитрона уже не могло нарушить их союз, «любовного треугольника» не получилось, «электронная невеста и протонный жених» обзавелись к этому времени солидным потомством, породив огромное количество научных теорий и различных гипотез. Позитрон и электрон были разлучены на долгое-долгое время. Наука все больше и больше отклонялась от правильного курса.

 Но вопросы о делимости или неделимости протона и нейтрона никак не покидали исследователей и они время от времени, ворочаясь в кошмарных снах, все же пытались найти выход из создавшегося положения. К середине двадцатого столетия выход из этой достаточно щекотливой ситуации был, кажется, найден.

 В 1964 году Д. Цвейгом и М. Гелл-Манном была озвучена гипотетическая теория существования кварков. Не исключаю, что одним из поводов предположить некую специфическую субъединицу в виде гипотетических кварков, была именно неразбериха в обосновании явления радиоактивности и ночные кошмары, постоянно тревожащие сон великих исследователей.

 Теория кварков предполагала, что и протон, и нейтрон, оказывается, не так просты как кажутся на первый взгляд. Они вполне претендуют на место среди более сложных структур и достойны иметь в своем арсенале не электроны, которые никак не влезали ни в протон, ни в нейтрон, ни в Стандартную модель, а по три полновесных гипотетических кварка. Пусть и не очень понятных, но, все же, способных обосновать разделение нейтрона и протона при бета-распаде.

 Протону без всяких сомнений определили два u-кварка и один d-кварк, а нейтрону — два d-кварка и один u-кварк. То, что они в своей совокупности примерно в сто раз легче, чем протон или нейтрон, уже не имело значения, потому что они замечательно вписывались в Стандартную модель и прекрасно находили себе место в системах математических уравнений.

 Однако, ясности в решении проблемы обоснования процесса радиоактивного распада не прибавилось. Более того, представление нейтрона, как дружественное сообщество трех кварков, при ближайшем рассмотрении с треском проваливалось. Если представить, что один из двух d-кварков массой 4,79 МэВ разделяется на u-кварк массой 2,01 МэВ, электрон массой 0,511 МэВ и электронное антинейтрино, то появляется избыток массы примерно в 2,78 МэВ.

 Следовательно, таких электронов и электронных антинейтрино должно испускаться не менее пяти! Где же остальные четыре? Что-то опять не очень все сходится. Но ввергнуть физиков-теоретиков в уныние уже было невозможно. Такие преграды не могли остановить их буйный энтузиазм, щедро подсказывающий новые неожиданные фантастические решения. И такое спасительное решение вновь было найдено!

 Посовещавшись, физики решили, что d-кварк, оказывается, не просто преобразовывается в электрон и электронное антинейтрино, а сначала испускает некую виртуальную частицу — бозон, который, и формирует электрон и антинейтрино и, ко всему прочему, мимоходом еще решает и задачу слабого взаимодействия, т.е. отвечает за бета-распад, удерживая или испуская частицы внутри атомного ядра (рис.54).

 

Рис. 54. Диаграмма Р. Фейнмана для бета-минус-распада нейтрона

В соответствии с диаграммами Нобелевского лауреата Р. Фейнмана d-кварк, испуская виртуальный калибровочный W-- бозон превращается в u-кварк, а нейтрон преобразуется в протон. Вот так, учитесь, «одним выстрелом — два зайца»! Наповал! На зависть известному немецкому барону! Правда, пока еще не совсем понятно безмассовый этот бозон или же ему сообщается масса в процессе его выделения из кварка, потому что время жизни этого бозона примерно 3 х 10 -25 секунды. Как видите времени на размышление у бозона не так много. Ну, а ясность и логика вообще отсутствуют. Хотя, это пока не важно, так как на всякий случай припасен бозон Хиггса, который потом все и объяснит.

 Однако, поток вопросов не ослабевал.

 

 А каким же образом из этого замечательного бозона формируется электрон? Где среди нейтронного однообразия вдруг разыскали античастицу — электронное антинейтрино, по сути, злейшего врага и уничтожителя видимой материи? Каков механизм образования слабого взаимодействия? При чем здесь выдуманный бозон, да еще и виртуальный?

 

 Думаю, услышать внятные объяснения и четкие ответы на эти вопросы будет трудно или невозможно. Однако, если вставить эти бозоны в математическую часть Стандартной модели, то очень многие претензии к этой модели отпадут, а вся отлаженная машина получения субсидий на дальнейшие научные разработки и присуждения Нобелевских премий продолжит, по-прежнему, безостановочно и без лишних объяснений работать на радость людям, их получающих.

 Я не против того, что один элемент может за счет радиоактивного распада превращаться в другой. Более того, стою на этих же позициях. Это так, хотя на это может потребоваться достаточно много времени. Не могу отрицать явление радиоактивности и бета-распада. Оно существует как явление природы и в этом нет никаких сомнений. Но я совершенно точно против поверхностных, скороспелых и неряшливых выводов, которые сделали уважаемые исследователи, пытаясь объяснить эти явления. Понимаю, что не обладая общими знаниями об устройстве Вселенной, они никак не могли проникнуть в глубины атома. Поэтому, не осуждая их, мы постарались привести свои доводы для объяснения этих явлений природы.