История нейтринной физики

Было предложено два варианта опытов для обнаружения нейтрино. Первый - наблюдение обратного бета-распада - впервые рассмотрен Х. Бете и Р. Пайерлсом в 1934. Обратным бета-распадом называются реакции (существование которых следует из теории Ферми): Оценка вероятности поглощения нейтрино дала поразительный результат: в твёрдом веществе нейтрино с энергией, характерной для бета-распада, должно пройти расстояние порядка сотен световых лет, прежде чем будет захвачено ядром. В 30-40-х гг. обнаружить такую частицу казалось совершенно невозможным.

Другой путь - наблюдение отдачи ядра в момент испускания нейтрино - впервые рассмотрен А. И. Лейпунским. Как известно, при превращениях частиц, как и при любых физических процессах, происходящих в какой-нибудь системе, сохраняется не только энергия, но и количество движения, или импульс.

Первый такой опыт был проведен самим Лейпунским в 1936 г. Исследовались импульсы частиц, образующихся в реакции:

Если протон, испытывающий бета-распад, неподвижен, то его импульс равен нулю. Значит, и суммарный импульс всех частиц - продуктов распада - также должен быть равен нулю. Если нейтрино не образуется, то импульсы ядра бора и позитрона будут равны по модулю, а если образуется - то не равны. Так как в реакции получаются заряженные частицы, то измерить их импульсы не трудно. Опыт показал, что суммарный импульс позитрона и ядра отдачи при бета-распаде ядра 11C не равен нулю. Это подтверждало гипотезу о существовании нейтрино: неизвестная частица уносит "исчезающий" импульс.

В 1938 г. А. И. Алиханов и А. И. Алиханьян предложили использовать для данного эксперимента реакцию К-захвата в 7Be: ядро 7Be захватывает электрон из К-оболочки атома и испускает нейтрино, превращаясь в ядро 7Li. При этом если нейтрино существует, то 7Li получает импульс, равный и противоположный по знаку импульсу нейтрино. Первый успешный опыт с этой реакцией был выполнен американским физиком Дж. Алленом в 1942 г.

Таким образом, открытие нейтрино стало возможным благодаря уверенности исследователей в справедливости фундаментальных законов физики - законов сохранения энергии, импульса и момента количества движения.

Но прямое обнаружение нейтрино на тот момент по-прежнему представляло собой настолько сложную задачу, что Паули, который ввёл эту частицу, заключил пари на бутылку шампанского со своим приятелем, известным астрономом В. Бааде, утверждая, что "при нашей жизни нейтрино не будет экспериментально наблюдено".

Таким образом нейтрино было "изобретено" теоретически, свойства этой "неуловимой" частицы были первоначально постулированы с целью оправдания её "не наблюдаемости".

Открытие нейтрино

Все вышеперечисленные доказательства показывали лишь образование нейтрино в точке распада. То есть они лишь доказывают выполнение законов сохранения при возможном существовании нейтрино. Для того, чтобы с полной уверенностью говорить о существовании нейтрино, необходимо было детектировать нейтрино в свободном состоянии - на некотором расстоянии от места его рождения. Такое экспериментальное подтверждение существования теоретически предсказанной частицы произошло лишь спустя 23 года после предположения Паули, когда Фредерику Райнесу (Frederick Reines) и Клайду Коэну (Clyde Cowan) удалось запечатлеть результаты взаимодействия нейтрино, используя ядерный реактор деления в качестве источника частиц и сцинтилляционный детектор - в качестве детектора.

Рис. 4. Фред Райнес и Клайд Коэн в центре управления хэнфодского эксперимента "Project Poltergeist" (1953)

В 1953 году ученые впервые попытались продемонстрировать существование нейтрино, до тех пор считавшегося чисто гипотетической частицей. Учитывая ее "призрачные" свойства, эксперимент был назван "Проект Полтергейст".

Как уже было сказано, сложность этой задачи объяснялась колоссальной проникающей способностью, которой как ожидалась обладает нейтрино. Например средний пробег нейтрино с энергией 1 МэВ в свинце составляет примерно 1015 км. Для того чтобы представить величину проникающей способности нейтрино достаточно вспомнить, что расстояние от Земли до Солнца равно примерно 150 млн. км, т.е. 1,5х108 км. Тогда мы получаем, что нейтрино могут беспрепятственно проникать сквозь свинцовую плиту, толщина которой в миллионы раз превышает расстояние от Земли до Солнца. Для сравнения также можно привести еще одну величину - расстояние от Солнца до центра нашей Галактики - около 1016 км.

При этом для надежного экспериментального подтверждения существования нейтрино физикам требовалось зафиксировать хотя бы несколько сотен частиц. И все же эта, казалось бы, неразрешимая задача была решена. Очевидно, что пропускать одно нейтрино сквозь астрономическую толщину вещества, чтобы оно с большой вероятностью прореагировало, нереально. Был реализован другой вариант - пропускать астрономическое число нейтрино через метровую толщину жидкого или твердого вещества. Такой эксперимент стал возможен благодаря использованию появившихся за десятилетие до этого ядерных реакторов (первый реактор был создан вышеупомянутым Энрико Ферми в 1942 г. в Чикаго, США).

Как известно, ядерные реакторы - это устройства, имеющие огромное значение в науке и практике, в которых совершается деление ядер урана нейтронами. В каждом акте деления образуется несколько бета-радиоактивных ядер. И если справедлива гипотеза о существовании нейтрино, то в распадах таких ядер нейтроны должны испытывать превращения в протоны с образованием электрона и антинейтрино.

То есть мощные реакторы должны быть интенсивными источниками антинейтрино. Например атомный реактор мощностью 300 тысяч киловатт каждую секунду испускает около 5*1019 антинейтрино. Но даже при такой плотности потока нейтрино задача все равно остается очень трудной.

Однако регистрация отдельных событий, вызванных антинейтрино, возможна. Реакцией, позволяющей такую регистрацию, является обратный бета-распад. В частности, в своем эксперименте Райнес и Коэн решили использовать реакцию взаимодействия антинейтрино с протоном:

Вероятность этого процесса можно было рассчитать, и, регистрируя продукты реакции в эксперименте, одновременно проверить гипотезу существования нейтрино.

Выбор именно этой реакции Райнес объяснял ее простотой. Важным фактором было то, что в 1949 году Л.Херфордом (Lieselott Herforth) и Х.Колманном (Hartmut Kallmann) была открыта и описана сцинтилляция в органических жидкостях. И именно такой сцинтиллятор мог быть использован для построения большого детектора, который был необходим в данном эксперименте. Нужно отметить, что в то время большим считался детектор объемом порядка 1 л.

Как уже было сказано, вторым (помимо потока нейтрино) необходимым для регистрации нейтрино компонентом был большой водородсодержащий детектор. Объем используемого в данном эксперименте детектора составил 300 л, которые просматривались 90 ФЭУ, разделенные на 2 группы по 45 ФЭУ каждая, для регистрации совпадающего сигнала. Возникающие в результате реакции с протонами позитроны регистрировались по аннигиляционным г-квантам, образующимся при взаимодействии позитронов с электронами вещества мишени.

Детектирование осуществлялось с помощью сцинтиллятора - вещества, способного испускать вспышку света (сцинтилляцию), когда сквозь него проходит частица. В качестве протонной мишени использовался жидкий растворенный в сцинтилляторе пропионат кадмия C3H5CdO2.

В эксперименте предполагалось использовать реактор в Хэнфорде (Hanford) (Вашингтон, США). На расстоянии 10 метров от реактора ожидаемый поток антинейтрино через каждый квадратный сантиметр составлял примерно 1013 частиц в секунду. Такой поток антинейтрино, бомбардирующих тонну водородосодержащего вещества (источник протонов), по расчету должен вызывать примерно 100 реакций обратного бета-распада в час.

О сложности выполненного эксперимента можно судить по следующим фактам. Всего было проведено 2 серии экспериментов. Расчетная интенсивность событий должна была составлять ~0,2 события\мин. В первой серии нейтрино на ректоре в Хэнфорде не удалось обнаружить из-за высокого фона порядка 0,4±0,2 события\мин, существующего при выключенном детекторе. Этот сигнал был вызван, как выяснилось впоследствии после проведения подземных испытании в лаборатории в Лос-Аламосе, космическими лучами.

Рис.5. Схема детектора в опыте Райнеса и Коэна по регистрации антинейтрино. Обозначения на схеме:

1. -- два жидких сцинтилляционных детектора (1400 л каждый) для регистрации антинейтрино;

2. -- сцинтилляционный детектор (также 1400 л) для регистрации фона космических лучей, включенный на антисовпадения с детектором 1;

3. -- две водяные мишени объемом 200 л каждая

4. -- две группы фотоумножителей, включенные на совпадение;

5. -- третья группа фотоумножителей, включенная на антисовпадения;

6. -- электронная аппаратура;

7. -- двулучевой осциллограф;

8. -- свинцовый и парафиновый экраны для защиты от излучений реактора.

Для второй серии экспериментов был произведен ряд усовершенствований установки. В качестве водородосодержащего вещества - протонной мишени -использовались два бака по 200 л каждый, заполненные раствором хлористого кадмия в воде (CdCl2+H2O). Образующиеся в результате аннигиляции гамма-кванты вызывали световые вспышки в жидком сцинтилляторе, который представлял собой 3 емкости по 1200 л каждая, расположенных по обе стороны от двух протонных мишеней. Световые вспышки регистрировали 100 фотоумножителей.

Кроме того, для отсечения космических лучей использовался 3-й сцинтилляционный детектор, работающий по схеме антисовпадений - в случае попадания в него частицы извне происходило выключение установки на некоторое время.

Во второй серии экспериментов, длившихся в течение 100 дней на атомном реакторе в Саванна-Ривер (Savannah River) (Южная Каролина, США), была улучшена техника детектирования за счет схемы антисовпадений, усилена защита детектора от фонового излучения - детектор находился в 12 м. под землей и в 11 м. от реактора. В результате было зарегистрировано 567 событий, отношения полезного сигнала к суммарному случайному фону составляло 4 к 1.

В процессе эксперимента ученые последовательно доказали следующее:

?регистрируются именно реакторные антинейтрино;

?связанный с реактором сигнал согласовывается с теоретическими предсказаниями;

?первый импульс сигнала совпадений обусловлен позитронной аннигиляцией;

?второй импульс обусловлен захватом нейтрона;

?величина захвата нейтрино зависит от количества протонов в мишени;

?с помощью используемой схемы детектирования исключается регистрация частиц, отличных от нейтрино.

В частности, для доказательства первого утверждения был измерен и сравнен счет при включенном и при выключенном реакторе.

Для величины сечения реакции захвата антинейтрино протоном, зная указанную выше оценку потока нейтрино от реактора и высчитав чувствительность детектора при его калибровке радиоактивным источником, было получено значение находящееся в хорошем согласии с предварительными теоретическими оценками.

Все эти факты позволили утверждать, что результатом опытов Райнеса и Коэна является доказательство взаимодействия антинейтрино с протоном, что приводит к образованию в конечном состоянии нейтрона и позитрона.

Подготовка и выполнение этого уникального эксперимента потребовали более пяти лет. Годом открытия нейтрино считается 1956 г. Сложность и важность данного эксперимента подчеркивает то, что за участие в этих исследованиях и последующие эксперименты Фредерик Райнес был удостоен в 1995 году Нобелевской премии.

Доказательство нетождественности нейтрино и антинейтрино

Сразу же после открытия антинейтрино возник очевидный вопрос - тождественна ли открытая частица нейтрино или нет. Поскольку нейтрино не имеет электрического заряда, теоретически не было исключено, что оно по своим свойствам тождественно антинейтрино, т. е. является истинно нейтральной частицей. Такое нейтрино впервые было рассмотрено итальянским физиком Э. Майорана и поэтому называлось «майорановским». В противоположность этому типу, нейтрино, не являющееся истинно нейтральным, было названо «дираковским».

В 1955 г Р. Дэвисом . был поставлен эксперимент для выяснения этого вопроса. В качестве источника антинейтрино снова использовались реакторные антинейтрино. В 1946 г. Б. Понтекорво предложил использовать для этой цели реакцию:

Если нейтрино тождественно антинейтрино, то под действием потока антинейтрино от реактора один из нейтронов, входящих в состав ядра 37Cl, должен превращаться в протон, что приводит к образованию радиоактивного изотопа 37Ar с периодом полураспада 35,04 суток. Регистрируя радиоактивность изотопа, можно судить о тождественности частиц.

Для регистрации процесса необходимо было использовать большую массу мишени. В качестве мишени использовалось около 4000 литров раствора четыреххлористого углерода. Каждый сеанс облучения продолжался 2 месяца. Была разработана специальная методика извлечения радиоактивного изотопа 37Ar из огромного объема мишени. Выделенный 37Ar помещался затем в низкофоновый пропорциональный счетчик для регистрации его радиоактивности. Искомая реакция не наблюдалась.

Результатом этого эксперимента стало доказательство, что нейтрино и антинейтрино являются разными частицами. А Р. Дэвис, продолжая свои эксперименты по детектированию нейтрино, через 11 лет создал первый в мире детектор для солнечных нейтрино, используя для детектирования ту же реакцию на аргоне.

Наиболее точным методом, с помощью которого можно установить тождественность нейтрино и антинейтрино является наблюдение безнейтринного двойного бета-распада:

Нейтрино, образовавшееся при бета-распаде одного из нейтронов ядра (A,Z) взаимодействует с другим нейтроном образовавшегося ядра (A,Z+1). В результате такого процесса, который возможен только в случае, если нейтрино и антинейтрино тождественны, рождаются 2 электрона, а заряд ядра увеличивается на две единицы. Данный процесс лежит за рамками Стандартной Модели.

Рис. 6 Диаграмма Фейнмана для двойного безнейтринного бета-распада

Все попытки обнаружить безнейтринный двойной бета-распад пока также окончились безрезультатно.

Закон сохранения лептонного заряда теоретически постулирующий недождественность нейтрино и антинейтрино был введён в в 1955 г. Из закона сохранения лептонного заряда следует, какие реакции с участием нейтрино возможны, а какие запрещены.

Мюонное нейтрино

Мюонное нейтрино было открыто в 1961 году в эксперименте на протонном синхротроне с переменным градиентом AGS (Alternating Gradient Synchrotron) в Брукхейвенской лаборатории, США. Это событие стало возможным благодаря возможности получения пучков высокоэнергетичных нейтрино на ускорителе.

После экспериментов Райнеса и Коэна по наблюдению антинейтрино, образующихся при в-распаде, существование этой частицы сомнения не вызывало. Однако были обнаружены нейтрино, образующиеся и в других процессах, и, в частности, при распаде р-мезонов.

Поэтому возник вопрос - тождественны ли нейтрино, образующееся при распаде р-мезонов, и нейтрино, образующееся при в-распаде.

Были и другие проблемы, связанные с нейтрино. Был предсказан ряд процессов, которые в действительности не происходили. Типичный пример таких ненаблюдаемых процессов - так называемый радиационный распад мюона, т.е. испускание мюоном электрона и фотона.

В течение долгого времени физики безуспешно пытались обнаружить этот процесс. Что же запрещает мюону превращаться в электрон и фотон?

Для объяснения этого факта можно ввести новый закон сохранения некого заряда. Например, мы знаем, что нуклоны - протоны и нейтроны - никогда не распадаются только на "легкие частицы". Это позволяет утверждать, что нуклон имеет так называемый барионный заряд, а никакая комбинация легких частиц барионного заряда не имеет.

Сразу возникает подозрение, что процессы типа распада мюона на электрон и фотон, которые ожидались теоретически, но в действительности не происходят, запрещены законом сохранения некоторого до сих пор неизвестного заряда, скажем, "мюонного" заряда, характерного для мюона, но не для электрона. Здесь следует напомнить, что фотон - истинно нейтральная частица и не имеет никаких зарядов.

Однако имеется один процесс - распад мюона, в котором мюон и электрон участвуют совместно. Такой процесс состоит в испускании мюоном электрона совместно с двумя разными частицами ничтожно малой массы, о чем свидетельствуют экспериментальные исследования формы спектра электронов в этом процессе:

Но такая схема трудно совместима с предположением о существовании мюонного заряда, запрещающего переход мюона в электрон и фотон. Ведь пара, по определению частицы и античастицы, не имеет никаких зарядов, как и фотон, так что в описанной схеме мюонный заряд, если он существует, не сохраняется.

Тогда можно предположить, что имеются два сорта пар нейтрино-антинейтрино: "мюонные" и "электронные". При этом они отличаются друг от друга тем, что у "мюонных" нейтрино (но не у "электронных" ) имеется мюонный заряд.

Все приведенные выше аргументы заставили в 1957 г. М. А. Маркова, а также параллельно ему Ю. Швингера и К. Нишиджима высказать предположение о существовании двух типов нейтрино. Существование двух типов нейтрино означало бы, что нейтрино, участвующие в разных реакциях совместно с электроном, отличаются от нейтрино, участвующих в реакциях совместно с мюоном.

Схема опыта по доказательству тождественности или не тождественности этих 2 типов нейтрино похожа на доказательство различия нейтрино и антинейтрино. В качестве источника мюонных нейтрино можно использовать реакцию распада пиона.

В опытах Л. Ледермана, М. Шварца и Дж. Стейнбергера в 1962 году было показано, что нейтрино, образующиеся при распаде р-мезона, не является электронным. Нейтрино, образующиеся при распаде р-мезона, были названы мюонными нейтрино, так как они всегда образуются совместно с мюоном.

В результате взаимодействия пучка протонов с энергией 15 ГэВ с бериллиевой мишенью в большом количестве образуются вторичные р+ и р--мезоны. Детектирование р+ и р--мезонов осуществлялось с помощью черенковских счетчиков.

Схема этого эксперимента представлена на рисунке 7.

Рис. 7. Схема установки в эксперименте Л. Ледермана, М. Шварца и Дж. Стейнбергера

В результате этих экспериментов было показано, что при взаимодействии нейтрино, образующихся при распаде р-мезонов, с протонами и нейтронами, наблюдаются только мюоны, и не было обнаружено ни одного случая образования электронов или позитронов. А если бы мюонные и электронные нейтрино были тождественными частица, то реакции мюоны и электроны наблюдались бы с равной вероятностью.

В 1988 г. Л. Ледерману, М. Шварцу, Дж. Стейнбергеру была присуждена Нобелевская премия за изобретение метода нейтринного пучка и демонстрацию дублетной структуры лептонов в результате открытия мюонного нейтрино.

Рис. 8. Л. Ледерман, М. Шварц, Дж. Стейнбергер

В 1964-67 гг. в аналогичных опытах было установлено, что мюонные нейтрино и антинейтрино также не тождественны. Все это позволило ввести ещё одно сохраняющееся лептонное число -- мюонное.

Тау-нейтрино

До 1975 года было известно лишь 2 типа нейтрино: электронное и мюонное. А в 1975 году на коллайдере SPEAR (Stanford Positron Electron Accelerating Ring) в лаборатории SLAC (Стэнфордского центра линейного ускорителя) (США) группой под руководством Мартина Перла был открыт тау-лептон. Это привело к введению 3-го лептонного квантового числа - таонного. За данное открытие Мартин Перл получил Нобелевскую премию в 1995 году.

Эксперименты, проведенные в 1989 году в Стэнфорде и в CERN, показали, что могут существовать только три вида нейтрино, представляющих полный набор частиц этого класса: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино

Однако соответствующее таону тау-нейтрино впервые наблюдалось лишь в 2000 г. в лаборатории имени Ферми (США) на детекторе DONUT (Direct Observation of the NU Tau). Такая временная задержка объясняется большими энергиями сталкивающихся частиц, необходимых для образования данного типа нейтрино. Эксперимент был начат в 1997 году усилиями ученых из США, Японии, Кореи и Греции на крупнейшем ускорителе Tevatron.

Для получения тау-нейтрино пучок протонов направлялся на вольфрамовую мишень. Одним из продуктов взаимодействия протонов с ядрами вольфрама являются тау-лептоны, которые вскоре претерпевают распад с образованием тау-нейтрино. Для отсечения всех «побочных» частиц, образующихся в мишени, в опыте использовалось магнитное поле и защитный блок. На рисунке изображена схема получения пучка тау-нейтрино:

Рис. 9. Схема получения пучка тау-нейтрино в эксперименте по обнаружению тау-нейтрино на детекторе DONUT

Для детектирования использовались реакции, аналогичные реакциям детектирования других типов нейтрино.

Нейтринный детектор DONUT состоял из железных пластин, между которыми располагались слои фотоэмульсии. В результате взаимодействия протонов с железом образовывались тау-лептоны, которые оставляли в фотоэмульсии след ~ 1 мм.

По словам участника эксперимента Байрона Лундберга (Byron Lundberg), детектирование тау-нейтрино можно сравнить с поиском иголки в стоге сена: в общей сложности было зарегистрировано шесть миллионов (6x106) потенциальных взаимодействий частиц. Проанализировав сигналы от различных элементов 15-метрового детектора, ученые отобрали лишь около тысячи событий-претендентов. И только 4 из них были признаны подлинными свидетельствами существования тау-нейтрино.

Заключение

Нейтринная физика является молодой и динамично развивающейся наукой. Со времени экспериментального подтверждения существования частицы нейтрино в 1956 году ставятся новые эксперименты по выяснению свойств этих частиц. Также нейтринное излучение позволяет исследовать некоторые процессы недоступных для исследования другими методами, таких как вспышки сверхновых и реакции в ядре Солнца.

Список литературы

1. Pauli W. Jr, Address to Group on Radioactivity (Tubingen, December 4, 1930) (unpublished); Rappts. Septiems Conseil Phys. Solvay (Bruxelles, 1933) (Paris: Gautier±Villars, 1934) Письмо к Тюбингемскому конгрессу

2. Fermi E., Z. Physik 88 161 (1934)

3. Bethe H A, Peierls R Nature 133 532 (1934)

4. C. L. Cowan (Jr), F. Reines, F. B. Harrison, H. W. Kruse, A. D. McGuire Detection of the Free Neutrino: A Confirmation, “Science”, CXXIV, 1956, p. 103--104.

5. Ф. Райнес, Нейтрино: от полтергейста к частице (Нобелевская лекция, Стокгольм, 1995)

6. В.С. Березинский “Нейтринная астрономия”

7. Б.C. Ишханов, И.М. Капитонов, Э.И. Кэбин Частицы и ядра. Эксперимент, Москва, Изд-во Московского университета, 2005

8. Р. Дэвис мл., Полвека с солнечными нейтрино

Размещено на Allbest.ru