РЕФЕРАТ
ТЕМА: ФИЗИКА НЕЙТРИНО
1999
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
1. Рождение нейтрино 5
2. Регистрация нейтрино 9
3. Нейтрино и антинейтрино 20
4. Типы нейтрино 27
5. Двойной - распад 33
6. Земные и космические нейтрино 39
7. Нейтрино и астрофизика 48
8. Заключение 52
Литература 53
- 3 -
ВВЕДЕНИЕ
- Последним элементом конструкции наших тел являются атомы.
- Полагаю, что существа F построены из частиц, меньших,
чем обычные атомы. Гораздо меньших.
- Из мезонов- подсказал Сарториус. Он вовсе не удивился.
- Нет, не из мезонов... Пожалуй, скорее, нейтрино.
С. Лем "Солярис".
Существование нейтрино было предсказано немногим более 70 лет на- зад. К этому моменту семейство элементарных частиц насчитывало всего три члена: электрон, протон и фотон. В отличие от них, а также от частиц, открытых вслед за нейтрино, а ими были нейтрон и позитрон, самого нейтрино никто не наблюдал ни с помощью счетчиков Гейгера-Мюллера, ни в камере Вильсона. Его открытие - один из ярких примеров "открытий на кончике пера", показателей мощи современной физики, предсказать, а затем и зафиксировать частицы.
Интересно, как было высказано первое предположение о существовании нейтрино. Вольфганг Паули - "отец" нейтрино, сделал это в письме, отправленном на конференцию физиков в Тюбингенском университете. На начиналось, и заканчивалось оно шутливо: "Дорогие радиоактивные дамы и господа! Я прошу Вас выслушать со вниманием в наиболее удобный момент посланца, доставившего данное письмо. Он расскажет Вам, что я нашел отличное средство для спасения закона сохранения энергии и получения правильной статистики... Оно заключается в возможности существования электрически нейтральных частиц, которые я назову нейтронами (частица, за которой в последствии закрепилась это название, была открыта через два года)... Непрерывность бета-спектра станет понятной, если предположить, что при бета-распаде с каждым электроном испускается такой нейтрон, причем сумма энергии нейтрона и электрона постоянна...
Итак, дорогой радиоактивный народ, рассматривайте и судите. К со- жалению, я не могу появиться в Тюбингене лично, так как мое присутствие
- 4 -
здесь необходимо из-за бала, который состоится в Цюрихе в ночь с 6 на 7 декабря.
Ваш покорный слуга В. Паули".
Однако нужно было убедиться, что гипотеза о нейтрино не является по- пыткой прикрыть новым термином нарушение закона сохранения энергии в микромире.
В 1953 г. нейтрино было зарегистрировано в опытах Ф. Рейнеса и К. Коуэна и обрело все права истинной частицы.
Шло время, и место, отводимое этой частице ( точнее типу частиц) в общей картине как микро-, так и макромира, становилось все значительнее.
Что касается микромира, то за эти годы представления физиков об элементарности частиц претерпели значительные изменения. Большинство из них (несколько сот), в том числе протоны и нейтроны, рассматриваются сейчас как составные, состоящие из кварков. Нейтрино же остается фундаментальным кирпичиком материи, и тем важнее изучение его свойств.
Значительную роль оно играет и в макромасштабе, например, в эволюции звезд.
Таковы оказались "последствия" шуточного письма великого физика.
- 5 -
1. РОЖДЕНИЕ НЕЙТРИНО.
Как почти все в физике ядра, так и понятие о - распаде восходит к Э. Резерфорду. В 1896 г. он изучал состав радиации, испускаемой солями урана, и установил, что, она состоит по крайней мере из излучений двух типов: легко поглощаемых тяжелых частиц - излучения и более проникающих легких частиц - -излучения. Дальнейшие опыты показали, что - частицы - это поток электронов, вылетающих непосредственно из атомных ядер.
Прошли еще годы, стало ясно, что ядра состоят из протонов и нейтронов, определился механизм - распада. Он становиться возможным тогда, когда при замене в ядре нейтрона на протон получающееся новое ядро имеет меньшую массу покоя. Избыток энергии распределяется между продуктами распада. Для другого ядра может быть энергетически выгодно превращение протона в нейтрон.
В первом случае ядро претерпевает - распад, при котором излучается отрицательно заряженный электрон е-. Заряд ядра увеличивается на единицу.
Z - (Z + 1) + е-. (1)
Во втором случае ядро либо испытывает+- распад (излучается позитрон е+), либо захватывает один из ближайших атомных электронов. В этих процессах, как уже говорилось, протон переходит в нейтрон, а заряд ядра соответственно уменьшается на единицу.
Процесс - распада таил в себе многие загадки. На первых порах, еще до создания протонно-нейтронной модели ядра, такой загадкой стал неп- рерывный энергетический спектр испускаемых электронов.
Чем определяется кинетическая энергия Е, с которой электрон вылетает из ядраКазалось бы, ясно - разностью энергий покоя материнского (Е1) и дочернего (Е2) ядер, энергия покоя электрона (mе c2) и энергией отдачи ядра. Последняя столь мала, что ее можно не принимать во внимание. Тогда Е = Е1 - (Е2 +mec2), т.е. величина, постоянная для всех вылетающих -частиц. На опыте ожидали увидеть частицы одной энергии, а регистрировали все Е, от весьма малой до некоторой границы, как раз равной Е = Е1 - (Е2 +mec2).
- 6 -
Для объяснения непрерывности - спектра высказывались самые раз- личные гипотезы, в том числе и такая радикальная, как не сохранение
энергии при -распаде. Она принадлежала Н. Бору и впоследствии часто ставилась ему в упрек. Предлагалось и более простое объяснение. Для того чтобы исследовать спектр электронов, необходимо иметь источник излучения - кусочек материала с - активными атомами. Электроны, вылетающие с поверхности источника, не теряют своей энергии. Те же, что летят из глубины материала, теряют часть своей энергии на ионизацию и возбуждение атомов. В результате первоначальный линейчатый спектр размазывается, сдвигается в сторону меньших энергий, становиться непрерывным.
Казалось, можно утоньшать источник, уменьшать количество вещества в нем, но тогда уменьшалась интенсивность - излучения и технические трудности не позволяли аккуратно измерить спектр.
Для проверки последнего предложения несколько групп эксперимента- торов (К. Элис и У. Вустер и др.) поставили так называемые калоримет-рические опыты. Радиоактивный препарат помещался в калориметр с нас- только толстыми стенками, что -частицы полностью в них поглощались. Это позволяло измерить полную энергию, выделяемую за определенное время ( в том числе и теряемую в источнике) по повышению температуры калориметра. Зная активность препарата, и, тем самым, полное число испускаемых за это время -частиц, можно рассчитать энергию, приходя- щуюся на одну частицу. Ожидалось, что она совпадает с Егр, но, многократно повторяя опыты, экспериментаторы каждый раз получали величину, равную средней (а не максимальной) энергии -спектра.
В декабре 1931 г. Вольфганг Паули на Римской конференции по физике официально высказал предположение, что, кроме
электрона или позитрона, в - распаде испускается еще одна частица, обладающая очень большой проникающей способностью, нейтральная и имеющая массу намного меньшую массы нейтрона. Стеки калориметра не представляют для нее препятствия, и частица уносит с собой ту часть энергии, импульса и момента импульса, которая недосчитывалась у электрона. Когда Паули излагал эту идею, Энрико Ферми перебил его словами:
- Называйте его "нейтрино"!
- 7 -
Дело в том, что по-итальянски уменьшительно-ласкательное окончание "ино" соответствует русскому суффиксу "чик". Так что переводе с итальянского нейтрино будет означать "нейтрончик".
Теперь уравнения - распада для нуклонов примут следующий вид:
n p + e- + , --распад, (2)
p n + e+ + , +-распад. (3)
Паули наделил новую частицу свойствами весьма неприятными для тех, кто попытался бы ее зарегистрировать. Предполагалось также, что нейтрино имеет нулевой магнитный момент и собственный момент импульса, спин, равный /2 или во всяком случае полуцелый. После того, как Паули предложил идею нейтрино, он сказал своему другу, известному астроному Вальтеру Бааде :"Я сделал сегодня что-то ужасное. Физику теоретику никогда не следует делать этого. Я предложил нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально". Бааде предложил Паули пари на бутылку шампанского. Он стал утверждать, что нейтрино будет зарегистрировано при их жизни. Оптимизм победил, шампанское было выпито вместе с экспериментаторам и которые зарегистрировали нейтрино.
Поначалу сообщение об открытии новой частицы далеко не у всех выз- вало энтузиазм. Гипотеза о существовании нейтрино казалась слишком радикальной. Поэтому даже далекий от консерватизма Нильс Бор предпочитал отмалчиваться. По этому поводу можно привести отрывок из воспоминаний Х. Казимира : "Однажды пришло письмо от Паули, и Бор, не решаясь что-либо высказать по поводу изложенных в нем мыслей, попросил свою жену написать Паули, что "Нильс ответит в понедельник". Спустя три- четыре недели пришло новое письмо от Паули, на этот раз адресованное госпоже Бор. "С вашей стороны было очень умно, - писал Паули, что Вы не сообщили, в какой именно понедельник Бор собирается ответить. Однако он ни в коей мере не должен чувствовать себя обязанным , ответить именно в понедельник. Письмо, посланное в любой другой день, доставило бы мне не меньшее удовольствие". Насколько мне известно, в своем письме, на которое Бор медлил отвечать, Паули высказывал мысль о спасении закона сохранения энергии при - распаде путем введения нейтрино".
В конце того же 1933 г., в итальянском журнале "Riecera Scientifica" появилась статья Энрико Ферми "Попытка построения теории испускания -лучей". Это была количественная теория - распада, исходившая из того, что
- 8 -
он обуславливается новым видом сил, которые позднее стали называться слабыми силами.
Теория -распада Ферми строилась по аналогии с квантовой электро- динамикой, которая к тому времени была достаточно разработана. Механизм распада описывался следующим образом: под действием слабых сил один из
нуклонов ядра переходит в состояние, характеризующееся другим зарядом, например, нейтрон превращается в протон. При этом рождаются электрон и нейтрино. Точно также, как атом, переходя из возбужденного состояния в основное, рождает электромагнитные кванты, которых раньше в атоме не было.
Для описания слабого взаимодействия Ферми ввел константу G, которая играет роль, аналогичную роли заряда e для электромагнитных сил. Теория Ферми позволяет рассчитать форму -спектров, связать граничную энергию распада со временем жизни радиоактивного ядра. На ее основании можно было предсказать вероятность взаимодействия нейтрино с веществом. Вероятность эта оказалась еще на много порядков меньше, чем предполагал Паули. Так для поглощения нейтрино с энергией 1МэВ (типичной для распада ядер) потребовался бы слой воды толщиной в сотни миллионов раз превышающий расстояние от Земли до Солнца. Теория предсказывала увеличение вероятности взаимодействия с ростом энергии нейтрино.
Аналогия слабого и электромагнитного взаимодействия была гениально угадана Ферми, и получила полное подтверждение в наши дни. Этой теории, созданной на базе весьма немногих экспериментальных данных, в дальнейшем была уготована нелегкая судьба. Уж слишком она казалась простой и не полной. Периодически, основываясь на результатах опытов, теорию дополняли и усложняли. А затем более тщательные эксперименты опровергали предыдущие, и все снова возвращалось к первоначальному варианту.
"...Наши знания с тех пор возросли в огромной степени; однако все ( или почти все) новые факты удивительным образом укладываются в картину, нарисованную Ферми", - пишет Бруно Максимович Понтекорво, ученик Энрико Ферми.
- 9 -
2. РЕГИСТРАЦИЯ НЕЙТРИНО.
Какие еще требовались доказательства существования нейтрино, чтобы оно стало полноправным членом семейства элементарных частиц; таким же, как электрон, протон или - квантВедь казалось, что опыты, проведенные А.И. Лейпунским (1936), Дж. Алленом (1942) подтвердили, что в - распаде участвует "нечто", уносящее энергию и импульс. Хотя их результаты и согласовывались с гипотезой Паули и теорией Ферми, все это были лишь косвенные свидетельства. "Нейтрино" все еще могло оказаться просто удобной игрой слов, скрывающей за собой нарушение законов сохранения в слабом взаимодействии. Однозначное доказательство мог дать эксперимент, в котором эта частица была бы зарегистрирована вдали от точки своего рождения. Найти недостающую энергию в другом месте и означало доказать вещественность, физическую реальность частицы, переносящей ее.
Выполнить такой эксперимент представлялось необычайно трудным. Ведь теория предполагала, что у нейтрино ничего нет - нет массы, заряда, магнитного момента. Оно не может ионизировать или возбуждать атомы, а детекторы элементарных частиц чувствительны именно к электромагнитным процессам.
Если же ничего этого нет, то нейтрино - "чистый" представитель слабых сил, без всяких электромагнитных свойств. Оно может себя обнаружить, только если путем слабого взаимодействия передаст часть энергии заряженным частицам и уже те будут зарегистрированы.
В 1934 г. было предложено использовать для обнаружения нейтрино (более точно антинейтрино) реакцию, при которой оно взаимодействует с водородом ( с протонами) и рождает нейтрон и позитрон.
+ p n + e+, (4)
Этот процесс обратен --распаду свободного нейтрона. Реакция эта по многим признакам была очень привлекательна.
Во-первых, она обязана была происходить, что не было заранее известно о других процессах с участием нейтрино.
Во-вторых, теория Ферми предсказывала, что в потоке нейтрино не- больших энергий, например излучаемых при -распаде ядер, вероятность этого процесса гораздо больше, чем любого другого.
- 10 -
В-третьих, две частицы, которые вылетают в результате реакции, об- ладают достаточной энергией и можно надеяться
на их регистрацию.
Кроме того, эта реакция имеет энергетический порог. Это означает, что она идет только в том случае, если энергия нейтрино превышает 1,8 МэВ. Рассчитать этот порог нетрудно: к разнице масс протона и нейтрона 1,3 МэВ надо прибавить массу покоя образующегося позитрона 0,5 МэВ. Получаем 1,8 МэВ.
Можно оценить вероятность данного процесса. Если считать, что мы обладаем источником, излучающим поток нейтрино с энергией 3 МэВ, и этот поток падает на мишень, например 1 м3 воды (в воде достаточно большая концентрация протонов), то из 1018 частиц прореагирует лишь одна. Все познается в сравнении, из 100 -квантов той же энергии с водой провзаимодействуют 99. Эти цифры трудно назвать обнадеживающими.
Первые попытки обнаружить взаимодействие нейтрино с веществом де- лались при помощи источников, которые обладали естественной радиоак -тивностью. Опытов было сделано много. Часто в них использовались ог- ромнве (по тем временам) активности. В 1935 г. Намиас пытался определить число ионов, которые рождает нейтрино в воздухе. (А вдруг у частицы есть магнитный момент). Он работал с источником, содержащим 5 грамм радия, и число нейтрино, излучаемых им во все стороны, составляло приблизительно 1011 частиц в секунду. Ионизации Намиас не обнаружил. Из эксперимента следовало, что пробег частицы до взаимодействия с атомами воздуха больше, чем миллион километров, и, значит, ее возможный магнитный момент на несколько порядков меньше, чем у электрона.
2 декабря 1942 года под руководством Энрико Ферми в Америке был пущен первый ядерный реактор. В Советском Союзе запуск реактора был осуществлен 25 декабря 1946 года. Руководил работами Игорь Васильевич Курчатов. В физике и технике наступала новая эра и она, конечно, коснулась нейтрино.
Создание ядерных реакторов дало в руки физиков очень мощные ис- кусcтвенные источники нейтрино. В реакторе ядро 235U (или 239Pl) после захвата нейтрона делится на два осколка. Образовавшиеся осколки сначала излучают нейтроны и - кванты, а затем приходит черед - распада.
В среднем каждый из осколков претерпевает - распад три раза, следо- вательно, при одном делении шесть нейтронов превращаются в шесть про- тонов, шесть электронов и излучают шесть нейтрино.
- 11 -
Их энергии простираются от 0 до 10 МэВ, но число частиц с большой энергией крайне мало. Если мощность реактора составляет 1000 МВт, что не
особенно много по современным масштабам, то в окружающее пространство, каждую секунду испускается N = 2 *1020 нейтрино. Около 50 МВт уносится этим излучением, для которого стены, защита, бетонные плиты, да и сам земной шар - абсолютно прозрачны, так что выражение "обогревать улицу" здесь вполне уместно заменить на "обогревать Вселенную".
На детектор, расположенный на расстоянии 10-15 м от центра активной зоны, падает поток нейтрино, равный 3 * 1013 /см2 *с. Расположить детектор ближе очень трудно из-за необходимости защиты от других видов излучения.
Не следует думать, что строительство ядерных реакторов сразу же поставило вопрос о регистрации нейтрино. "В 1946 г. нейтрино рассмат -ривалось, вообще говоря, как недетектируемые частицы. Многие уважаемые физики придерживались того мнения, что даже сам вопрос о детектировании свободных нейтрино просто бессмысленен (и не только из-за временных трудностей) так же, как, скажем бессмысленен вопрос, бывает ли в сосуде давление, меньшее, чем 10-50 атмосферы", - пишет Б. Понтекорво.
Именно он обратил внимание на "нейтринные возможности" реактора. Впервые зарегистрировали нейтрино вдали от места его рождения амери- канские физики Ф. Рейнес и К. Коуэн в опытах 1953-1954 гг., при этом источником нейтрино служил ядерный реактор в Лос-Аламосе.
Хотя погоня за нейтрино началась сразу же после того, как Паули открыл его "на кончике своего пера", ждать результатов пришлось двадцать лет. За это время методы ядерной физики совершенно преобразились.
Были созданы мощные источники нейтринного излучения, появились чувствительные детекторы, содержащие большое количество вещества, экспериментаторам удалось изобрести методы подавления фона. Проблема фона в нейтринной физике стоит очень остро, ведь другие частицы, попадая в нейтринный детектор, тоже регистрируются. Поэтому нужные реакции вполне могут оказаться незамеченными среди массы других процессов. Потребовалась многолетняя работа тля того, чтобы научиться выделять нейтринные события среди фоновых по их специфическим особенностям.
Перед рассмотрением устройства нейтринных детекторов необходимо остановиться на истории появления счетчиков элементарных частиц и проблеме фона при регистрации событий.
- 12 -
Первым детектором элементарных частиц был спинтарископ Крукса. Он представлял собой экранчик из сернистого цинка. При прохождении через экран частицы наблюдается очень слабая вспышка света, причем световое пятнышко столь мало, что его приходиться разглядывать через лупу.
Именно с помощью этого прибора проводил свои опыты Резерфорд. Он вспоминал, что он не мог выдержать более трех минут наблюдений, потом глаза начинали слезиться от напряжения, и приходилось отдыхать. Чемпионом в лаборатории считался Ганс Гейгер. Однако он пренебрег своим чемпионским званием и, совместно с Мюллером, изобрел газоразрядный счетчик, надолго вытеснивший из практики метод вспышек, названный сцинтилляционным.
В 1944 году Керран и Бейкер использовали для счета сцинтилляций фотоэлектронный умножитель, регистрирующий световые вспышки. Свет от каждой частицы преобразовывался в электрический импульс, и затем их количество подсчитывалось. С этого момента метод сцинтилляций начал свое победное шествие в ядерной физике и физике элементарных частиц.
В 1947 году Кальман заменил экран сернистого цинка прозрачным для собственного излучения кристаллом нафталина. Теперь свет шел не с по- верхности, а из всего объема кристалла. Стало возможным регистрировать не только короткопробежные - частицы, но и - и - излучение. За короткое время было разработано множество видов сцинтилляторов.
Для регистрации нейтрино, как правило используют жидкие сцинтилл- торы. Поскольку выращивать кристаллы, органические и неорганические, - сложное и дорогое дело. А их требуется очень много. Другое дело жидкости, хотя и с ними было много трудностей. В жидких сцинтилляторах сам растворитель ( толуол, бензол, декалин и т.п.) обычно обладает очень слабыми сцинтилляционными свойствами и в него необходимо ввести специальные добавки - активаторы, которые "перехватывают" энергию от молекул растворителя и эффективно превращают ее в свет.
Отработка таких сложных по составу растворов заняла много времени. Кроме того, все компоненты жидкого сцинтиллятора должны были иметь высочайшую химическую чистоту.
Но кроме трудностей с получением сцинтилляторов существовала еще одна проблема - проблема фона. Точность любого измерения малой актив- ности всегда зависит от того насколько сильно удастся подавить фон.
А чтобы его подавить, необходимо знать природу, свойства фоновых час-
- 13 -
тиц. Можно вспомнить достаточно много случаев, когда неучтенный фон принимался за эффект, которого на самом деле не существовало. Это приводило к ошибочным результатам измерений.
Первая составляющая фона связана с космическим излучением. Оно бы- ло обнаружено по разрядке электроскопов и доставляло множество непри- ятностей физикам, занимавшимся в XIX веке опытами по электричеству.
Неуловимый вредитель стал для физиков верным союзником. До созда- ния ускорителей элементарных частиц космические лучи являлись единс- твенным источником излучения большой энергии. Опыты с ними позволили понять многие закономерности микромира и обнаружить новые элементарные частицы: позитрон, - и - мезоны. Интереснейшее явление - космические ливни - были объяснены отечественными физиками Д.В. Скобельцыным, Л.Д. Ландау, И.Е. Таммом и др.
Потоки частиц из космоса падают на границу земной атмосферы. Те из них, которые обладают достаточной энергией и могут избежать глубокой ловушки - магнитного поля Земли, устремляются к поверхности нашей планеты. И во взаимодействии с ядрами кислорода и азота рождают новые частицы.
При этом в лаборатории регистрируются три компоненты излучения: электроны, позитроны и - кванты - это мягкая компонента; частицы, ко- торые участвуют в ядерном взаимодействии - нуклоны, -мезоны - ядерная компонента; наконец, положительные и отрицательные -мезоны - жесткая компонента. Для устранения каждой из компонент необходима определенная защита. Мягкая - поглощается слоем свинца толщиной в 10-15 см ( пассивная защита). Избавиться от ядерной компоненты труднее для ее поглощения требуется 2-3 м железа или 15-20 м воды. Поэтому, если представляется такая возможность, детекторы помещают в подземное помещение. Остаются мюоны больших энергий, глубоко проникающие под землю.
Борьба с ними ведется с помощью активной защиты. Установку стараются окружить, особенно сверху, либо баками с жидкими сцинтиллятором, либо пластинами из сцинтилляционной пластмассы, либо газовыми или черенковскими счетчиками. Мезоны, попавшие в основной детектор, с большой вероятностью проходят через детекторы активной защиты и регистрируются в них. Электронная схема следит за тем, когда импульсы от основного детектора и защитных совпадут по времени, и относит такое событие к фоновым. Полностью подавить мезонный фон не
- 14 -
удается, так как эффективность регистрации активной защиты не может быть 100%, но удается уменьшить его в сотни и тысячи раз.
Вторая компонента фона - естественная радиоактивность. Естественные радиоактивные элементы находятся в рассеянном состоянии во всех
материалах установки, защиты, в воздухе и в самих экспериментаторах. В природе существует три семейства элементов, обладающих естественной радиоактивностью: урана-радия, тория и актиния. Каждое семейство - это ряд атомов, претерпевающих последовательный распад и превращающихся в другие элементы, члены ряда. Есть еще отдельные радиоактивные изотопы, создаваемые в атмосфере космическим излучением м не входящие в эти семейства. Наконец, есть очень неприятный для ряда экспериментов изотоп 40К. Больше всего калия содержится в стеклах, в ФЭУ, в сопротивлениях делителя ФЭУ.
Органические сцинтилляторы содержат значительно меньше радиоактив- ных загрязнений, чем неорганические кристаллы. Чаще всего их фон связан с внешней радиацией.
Третий вид фона связан с самим источником нейтрино. При делении осколков урана в активной зоне реактора излучают самые разные частицы. Из них сквозь биологическую защиту проникают быстрые -кванты и нейтроны. Если считать, что в защищенных помещениях реактора число быстрых нейтронов в сто раз меньше предельно допустимой для персонала нормы, то вероятность их регистрации в детекторе с органическим сцинтиллятором все еще в миллион раз больше, чем для нейтрино. Это преимущество должно быть скомпенсировано дополнительной защитой. Ведь фон, связанный с работой реактора, - один из самых неприятных. Его нельзя измерить отдельно от эффекта, выключив реактор, как это делается для других видов фона. Он возникает одновременно с нейтрино и поэтому должен быть учтен особенно тщательно.
Как уже отмечалось, впервые зафиксировать нейтрино вдали от места его рождения удалось американским физикам Рейнесу и Коуэну в 1953 году.
Для обнаружения нейтрино, а точнее антинейтрино, была использована реакция + p n + e+.
Схема установки представлена на рис.1. Принцип регистрации заклю- чался в следующем. Нейтрино, летящее от реактора, попадает в мишень - пластиковый бак, наполненный двумястами литрами воды. В воде растворена соль кадмия CdCl3. При взаимодействии нейтрино с водородом (р) образуются нейтрон и позитрон. Последний практически мгновенно замед-
- 15 -
ляется, аннигилирует с электроном среды, и два -кванта, каждый с энергией 0,5 МэВ, разлетаются в противоположные стороны. Мишень была сделана достаточно тонкой, чтобы вылетавшие из нее кванты попадали в баки с жидким сцинтиллятором, установленные по обе стороны от мишени.
Рис. 1. Схема опыта Рейнеса и Коуэна.
А - точка поглощения нейтрино и появления позитрона и нейтрона. В- точка аннигиляции позитрона, С точка захвата нейтрона атомом кадмия.
Каждый бак содержит 1400 л жидкости. Его внутренняя поверхность покрыта отражающим материалом, чтобы как можно больше света от сцинтилляции собиралось на фотокатоды 110 фотоумножителей, который "просматривают" бак. Для выравнивания светового потока, ФЭУ отделены от сцинтиллятора светопроводами, материалом для которых служит чистый растворитель (без сцинтилляционных добавок).
Первое известие о регистрации нейтрино подают одновременно заре- гистрированные в детекторах анигиляционные -кванты с определенной энергией. Несмотря на то, что детектор был защищен свинцом и бетоном, число фоновых импульсов, имитирующих появление позитрона в мишени, все еще в десятки раз превышало ожидаемый эффект.
- 16 -
Поэтому пришлось прибегнуть к "услугам" нейтрона. Он быстро замед- ляется в воде - за несколько миллионных долей секунды и захватывается ядром кадмия. Кадмий потому и был введен в состав мишени, что с очень большой вероятностью захватывает медленные нейтроны и в результате этого процесс излучает несколько энергичных - квантов. Последние, также попадают в сцинтилляционные детекторы и регистрируются.
Теперь нейтринное событие может быть отделено от фона по следующим признакам:
1. В детекторах одновременно возникают импульсы, соответствующие по энергии анигилиционным квантам.
2. Через определенное время в детекторах, тоже одновременно, появ- ляются импульсы, величина которых лежит в заданном диапазоне. Они связаны с захватом нейтрона ядром кадмия.
Определенные энергии, совпадение по времени, задержка между первым и вторым событием - все эти особенности реакции (4) позволили успешно подавить фон и зарегистрировать нейтрино. В эксперименте использовались две водные мишени и между ними три сцинтилляционных детектора. Общая масса
установки кроме внешней свинцовой защиты, превышала 10 т, а счет полезных событий составлял всего лишь 1,7 штуки за час, т.е. 40 штук в сутки! Вместе с тем полное число реакций (4) в 400 литрах воды должно было составить около 2000. Такое уменьшение эффекта произошло потому, что в борьбе с фоном пришлось ввести слишком много критериев отбора полезных событий, и, тем самым, снизить эффективность регистрации нейтрино.
Эффективность регистрации нейтрино рассчитывалась и проверялась в контрольных экспериментах. Опытов было проведено очень много. Напри- мер, для определения наиболее опасной компоненты фона - фона от реактора,
между активной зоной и установкой помещались массивная дополнительная защита. Потоки всех частиц, кроме нейтрино, ослабляются этой защитой. И если наблюдаемые события все-таки каким-либо образом имитируются ими, то число таких событий уменьшается. Однако величина эффекта осталась на уровне 40 событий в сутки. Эксперимент, вместе с контрольными опытами, длился 2085 часов, т.е. около трех месяцев чистого времени.
Точность опыта была не велика, однако позволила утверждать, что вероятность взаимодействия нейтрино с протоном находиться в согласии с результатами теории Ферми.
В течение 1959-1968 гг. группа физиков во главе с Райнесом уточняла экспериментальные результаты исследования реакции (4). Одновременно с
- 17 -
этим, была начата подготовка к другим опытам с реакторными нейтрино: поиска процесса рассеяния нейтрино на электроне ((e)(e) - взаимодействие) и изучения взаимодействия с ядром атома тяжелого водорода - дейтоном. В первом случае был создан уникальный по чувствительности сцинтилляционный детектор.
После обнаружения нейтрино все сильнее и сильнее в нейтринной фи- зике стала звучать новая тема - возможность рассеяния нейтрино на электроне.
В опубликованной в 1964 году книге академика М.А. Маркова читаем:
"Хотя подобный анализ возможностей, открываемых существованием ((e)(e))-взаимодействия, очень напоминает дележ шкуры неубитого медведя, все же обсуждение различных порождаемых взаимодействием эф- фектов эвристически очень ценно.
... Хотим мы этого или не хотим, но тенденции в развитии физики слабых взаимодействий привели к тому, что детектирование пока выдуманного ((e)(e))-взаимодействия становится проблемой фундаментальной важности".
Реакция эта выглядит так:
+ е- + e-, (5)
т.е. ожидается, что налетающее нейтрино рассеивается на электроне, теряя часть своей энергии (- означает нейтрино с меньшей энергией, чем ). Если процесс обратного- распада (эксперимент Рейнеса и Коуэна) вытекает из самых общих физических принципов, то о существовании рассеяния нейтрино
на электроне заранее известно гораздо меньше. Конечно, очень заманчиво, чтобы по аналогии с электродинамикой слабые силы приводили к своеобразному эффекту Комптона, в котором роль -кванта играло бы рассеивающееся нейтрино. Тогда открывалась возможность для массы интереснейших процессов (например, рождение электрон-позитронных пар летящим нейтрино), важных для физики элементарных частиц и астрофизики.
Реакция (5) была достоверно обнаружена через двадцать три года после опытов Рейнеса и Коуэна и через четырнадцать после опубликования идеи Рейнесом. Все эти годы шло создание и усовершенствование детектора, накопление экспериментальных результатов.
- 18 -
Вероятность ((e)(e))-рассеяния для реакторных нейтрино в десятки раз меньше, чем вероятность процесса + р e+ + n. Продуктом реакции является электрон отдачи и это не позволяет использовать такую сложную систему отбора полезных событий и подавления фона, как это делалось в опыте Рейнеса и Кроуэна.
Если рассмотреть хорошо защищенный столитровый сцинтилляционный детектор, расположенный в потоке нейтрино 1013 /см2*с, то число рассеяний нейтрино на электроне составит в нем пять штук за час. А фон в области, где лежит основное число электронов, т.е. от 0,2 до 1,5 МэВ, будет в 100 000 раз больше. Такова количественная оценка трудностей, стоящих перед экспериментаторами.
Райнес предложил следующее. Он считал, что лучше всего использовать для регистрации органический сцинтиллятор, который будет одновременно служить и детектором, и мишенью. Тогда фон будет обусловлен -лучами из окружающей среды, а не внутренними загрязнениями. Разделение эффекта и фона может быть основано на различии между сигналом от -квантов и сигналом от электронов отдачи, созданных антинейтрино.
Рис. 2. Схема установки для обнаружения рассеяния нейтрино на электроне
- 19 -
Точнее на различии их пробегов в веществе. Схема центральной части установки, собственно сам детектор нейтрино, изображен на рис.2.
Пластический сцинтиллятор разделен на светоизолированные секции. Свет от каждой их них через светопровод из иодистого натрия и обычный светопровод попадает на фотоумножитель. Нейтринное событие - это сцинтилляционная вспышка в одной, и только одной, секции, поскольку
пробег электрона с энергией в несколько МэВ, с большой вероятностью целиком укладывается в пластическом сцинтилляторе.
Когда в установку попадает - квант, то он, скорее всего, регистрируется в активной защите из иодистого натрия, который со всех сторон толстым слоем окружает пластик. Понятно, что когда это происходит в боковых охранных кристаллах, то система регистрирует его как фоновый импульс. А если сцинтилляция возникает в одном из светопроводов, то как отличить ее от импульса, вызванного нейтриноТогда используется тот факт, что световые импульсы от NaI и от пластического сцинтиллятора по характеру своего спада и нарастания во времени различны. Специальная электронная схема разделяет их и считает первый как фон.
Наконец, если -квант проивзоимодействовал в самом пластике, то с большой вероятностью это произойдет путем комптон - эффекта. Тогда рас- сеяный квант еще раз зарегистрируется в детекторе. А любые двойные события считаются связанными с фоном.
Детектор был окружен пассивной защитой - свинцом и кадмием (для поглощения нейтронов). Внешняя активная защита представляла собой бак, содержащий более двух тон жидкого сцинтиллятора, в который и опускалась вас установка. Все эти меры позволили в десятки раз уменьшить фон и обнаружить эффект.
При включенном реакторе счет одиночных событий составил 47 собы- тий/сутки, при выключенном - 40. Разность между ними 7 событий/сутки - нейтринные события. Можно было считать доказанным существование этого процесса. Наблюдение рассеяния нейтрино на электроне - одно из самых высших достижений сцинтилляционной техники и техники регистрации малых активностей.
- 20 -
3. НЕЙТРИНО И АНТИНЕЙТРИНО.
В 1928 г. Поль Дирак вывел свое знаменитое уравнение. Оно не только описывало поведение элементарных частиц со спином /2 (фермионов), но и предсказывало, что у каждой такой частицы есть своя античастица.
Последняя должна иметь туже массу и спин, что и частица, но отличатся от нее знаком заряда и магнитного момента (если у частицы магнитный
момент направлен по спину, то у античастицы - против).
Первая античастица - позитрон, была открыта в 1932 г. Затем, более чем через 20 лет, были открыты антипротон и антинейтрон. Дальнейшее продвижение в антимир шло более быстрыми темпами.
Нейтрино оказалось некоей двойственной частицей. С одной стороны, оно относится к семейству фермионов и должно описываться уравнением Дирака. С другой стороны, отсутствие заряда и магнитного момента делает непонятным отличие частицы от античастицы.
Теорию, описывающую электрически нейтральные фермионы как истинно нейтральные, не имеющие античастиц, создал в 1937 году итальянский физик Э. Майорана. Вопрос же разные ли частицы излучаются при +- распаде (электронном захвате) ядра p n + e+ + (нейтрино) и при -- распаде n p + e- + (антинейтрино) или идентично - , предстояло решить экспериментаторам.
Метод исследования был найден Бруно Максимовичем Понтекорво. Как уже упоминалось, еще в 1946 г. он размышлял над возможностью регист- рации нейтрино от ядерного реактора.
" В то время сцинтилляторы, которые много лет спустя были так успешно использованы Рейнесом и Коуэном для детектирования реакторных антинейтрино, еще не были созданы, и мне пришло в голову, что проблема может быть решена радиохимическими методами, т.е. путем химической концентрации изотопа, образующегося при обратном - процессе из очень большой массы вещества, облучаемого нейтрино. При внимательном осмотре знаменитой таблицы искусственных изотопов Сиборга нашлось несколько возможных кандидатов на мишень, среди которых наиболее подходящими оказались соединения хлора. Соответствующая реакция выглядит следующим образом:
нейтрино + 37Cl 37Ar + e-, (5)
- 21 -
где 37Ar распадается путем электронного захвата.
Я написал здесь "нейтрино", а не , потому, что вопрос о том, отличается ли от , был еще не ясен".
Позднее именно процесс (5) был использован для доказательства отличия от .
Реакция прямого процесса - электронного захвата имеет вид:
37Ar + e- 37Cl + ,
(p + e- n + ). (6)
Аргон-37 распадается со временем жизни около 30 дней, превращаясь в хлор-37 и излучая нейтрино.
Обратная реакция (5) представляет собой превращение нейтрона в ядре хлора-37 в протон опять-таки под действием нейтрино + n p + e-. А в ядерном реакторе при распаде осколков генерируются антинейтрино - частицы, сопутствующие электрону n p + e- + . Поэтому процесс (5) может идти с полной вероятностью только в случае тождественности нейтрино и антинейтрино.
Эксперименты были поставлены группой американских физиков под ру- ководством Р. Дэвиса. Они проводились сначала на Брукхейвенском реакторе (1955 г.), затем на реакторе в Саванна-Ривер (1956-1959 гг.).
Схема опыта состояла в следующем. Бак, содержащий несколько кубо- метров перхлорэтилена (C2Cl4), помещался под землей недалеко от рабо- тающего реактора. В него предварительно вводился 1 см3 обычного аргона. Газ этот в дальнейшем мог служить носителем, образующихся радиоактивных атомов 37Ar.
Один, иногда два месяца жидкость выдерживалась под нейтринным об- лучением для накопления аргона-37, а затем начиналась процедура его извлечения. В течение нескольких часов через объем бака пропускался гелий. Он в виде мелких пузырьков проходил через жидкость и "вымывал" из нее атомы аргона. Затем гелий поступал в ловушки, заполненные ак- тивированным углем и охлажденные до температуры жидкого воздуха. Аргон конденсировался и захватывался на поверхности угля, а гелий свободно проходил через ловушку. После нескольких циклов такого процесса ловушка отделялась от системы, соединялась с детектором и нагревалась. Уголь выделял захваченный аргон, и последний поступал в счетчик.
- 22 -
Зарегистрированная в этих экспериментах активность была почти в 10 раз меньше, чем ожидалось в случае, если бы нейтрино и антинейтрино были одинаковы. Она объяснялась фоновыми процессами, главным источником которых были быстрые космические частицы, попадающие в мишень и образующие аргон-37. Таким образом, процесс (5) не осуществляется, и, следовательно, нейтрино и антинейтрино - разные частицы.
Опыты Дэвиса еще продолжались, когда в физике слабых взаимодейс- твий произошло крупнейшее событие - было открыто несохранение четности.
В классической механике известны три закона сохранения: энергии, импульса и момента импульса. Как было доказано Э. Нетер (1918 г.), эти законы являются следствиями симметрии пространства и времени.
Уравнения движения тел не меняются, если перенести начало отсчета времени. Результаты опыта останутся теми же, т.е. время обладает оп- ределенной симметрией - оно однородно. Ни один его промежуток ничем не выделен по отношению к другим. Из этого, по теореме Нетер, следует закон сохранения энергии. Перенос начала координат в пространстве не меняет физических результатов. Из однородности пространства вытекает закон сохранения импульса.
Кроме того, пустое пространство изотропно. Это означает, что в нем нет выделенных направлений, все направления равноправны. Поворот ко- ординат на любой угол не повлияет на результат опыта. Из изотропности пространства следует закон сохранения момента импульса. Можно провести еще одно преобразование - сразу изменить направление всех координатных осей на противоположное. Это эквивалентно тому, что мы отражаем происходящий процесс в зеркале.
Существовала уверенность, что такое отражение тоже ничего не изменит.
То есть физическое явление или результаты эксперимента останутся прежними. Конкретная величина при таком преобразовании может, и изменит знак. Любой вектор - скорость, импульс, сила, напряженность электрического поля и т.п. - меняет знак при отражении на противоположный. Существуют и псевдовекторы - момент импульса (в частности, спин), магнитная индукция и т.п. Псевдовекторы знака не меняют, поскольку их направление связано с направлением вращения (массы, электрического заряда) по или против часовой стрелки. А при отражении в зеркале направление вращения не изменяется. Векторы и псевдовекторы входят в
- 23 -
формулы, описывающие какие-либо процессы, таким образом, что при "переходе в зеркальный мир" результаты этих процессов не меняются.
Пока речь шла об электромагнитном и сильном взаимодействиях, все это строго выполнялось. Никакие опыты не помогли бы отличить "наш" мир от "зеркального", правое направление от левого.
В квантовой механике ( а именно для нее важно такое "скачкообразное" преобразование пространства, как отражение) появляется новый закон сохранения. Он носит название закона сохранения пространственной четности и является следствием зеркальной симметрии пространства (Е. Вигнер, 1927 г.).
Все было ясно вплоть до 1956 г. когда необычное поведение К - мезонов заставило усомниться в том, что для слабого взаимодействия закон сохранения пространственной четности выполняется столь же строго, как для электромагнитного и ядерного. Эти "сомнения" были опубликованы двумя американскими физиками, китайцами по национальности,
Ли Тзун-дао и Янг Чжень-инем, "устное" же сомнение впервые было высказано Р. Фейманом на Рочестерской конференции 1956 г. В своей статье они предложили возможные схемы опытов, для проверки этой гипотезы, и сразу же такая проверка начала осуществляться несколькими группами экспериментаторов.
Первой добилась группа, работающая под руководством Ву Цзянь-сюн из Колумбийского университета (США).
Идея опыта состояла в следующем. Если ядра атомов вещества, спо- собного к -распаду, выстроены таким образом, что их спины направлены в одну сторону, то вылетающие из них электроны должны с одинаковой вероятностью лететь как по, так и против спина ядер. Так гласит закон сохранения четности. Если же вероятности вылета в противоположных направлениях окажутся различными, закон будет нарушен. Ведь если в нашем мире существует такое явление, как преимущественный вылет частиц по одному из направлений ( скажем, против спина), то при пространственном отражении процесса спин ядра не измениться, а вектор скорости переменит знак и в зеркальном мире, преимущественный вылет электронов будет происходить по спину ядра.
Появиться возможность отличить наш мир от зеркального, а это про- тиворечит закону сохранения четности.
Опыты потребовавшие применения самой современной экспериментальной техники, полностью подтвердили гипотезу Ли и Янга.
- 24 -
Сохранение четности нарушалось в процессах, которыми управляло слабое взаимодействие.
Почти сразу же выяснилось, что это открытие самым непосредственным образом коснулось нейтрино. Оказалось, что при рассмотрении решения уравнения Дирака для частицы с нулевой массой при условии нарушения пространственной четности, то такая частица должна быть полностью по- ляризована - ее спин всегда и строго направлен по (или против) импульса. Соответствующая ей анитчастица отличается противоположным знаком поляризации.
Если раньше уравнение Дирака для нейтрино включало четыре различ- ных состояния, четыре компоненты (частица и античастица, и у каждой два возможных направления спина - по и против импульса), то теперь число состояний уменьшилось до двух. в соответствии с этим новая теория получила название двухкомпонентной. В ее создании приняли участие физики - теоретики из разных стран Л. Ландау (СССР), А. Салам (Пакистан), Т. Ли и Ч. Янг (США). Поставленные опыты подтвердили, что спин антинейтрино направлен по импульсу частицы, а нейтрино - против.
Поведение полностью поляризованной частицы напоминает движение винта или буравчика, если уподобить спин вращению рукоятки, а направление импульса - направлению закручивания винта. Так же, как у частицы, поступательное и вращательное движение винта жестко связаны. При этом аналогом антинейтрино является винт с правой резьбой, закручивающийся по часовой стрелке, а нейтрино - винт с левой резьбой.
При отражении в зеркале, нейтрино изменит знак импульса на обратный, а направление спина не измениться. В результате из левого винта мы получим правый, из частицы античастицу. Раньше это запрещал закон сохранения пространственной четности, теперь ограничение было снято.
Образовывалась явная не симметрия между "нашим" и "зеркальным" мирами.
Л.Д. Ландау предположил, что слабое взаимодействие обладает более сложным типом симметрии, чем просто зеркальное отображение. Нашему миру симметричен не просто зеркальный мир, а зеркальный антимир, в ко- тором все частицы заменены на античастицы, нейтрино - на антинейтрино. Только такие миры неразличимы.
В теории двухкомпонентного нейтрино отрицательный результат опытов Дэвиса вытекал из поляризации. Действительно, чтобы вызвать процесс на хлоре-37, требовалось нейтрино "левый винт", а реактор излучает
- 25 -
антинейтрино - "правый винт". И реакцию обратного - распада этим час- тицам так же невозможно вызывать, как завинтить такой винт в отверстие с левой резьбой.
Следует отметить еще, что степень поляризации легких частиц e- (e+) и () оказались тесно связанной с наличием у них массы. Действительно, если полная поляризация нейтрино есть фундаментальное внутреннее свойство частицы, отличающее от , то такая частица обязана (!) иметь нулевую массу и двигаться со скоростью V> V ( но в тоже время V < c ), и в этой системе нейтрино полетит в обратную сторону, а направление спина частицы не изменится. Это будет означать, что внутреннее свойство частицы зависит от системы отсчета, чего быть не должно. Поэтому скорость нейтрино V должна быть точно равна скорости света с и масса его m равна нулю.
Насколько точно можно считать нейтрино полностью поляризованной частицей, насколько строго подтверждаются двухкомпонентная теорияРезультаты прямых опытов (М. Гольдгабер и др., 1958 г.) давали возможность отклонения поляризации от полной вплоть до 20%. На осно- вании более поздних экспериментов можно было считать, что этот диапазон не более 10% Что касается опытов Дэвиса, то, как мы видели, они допускали 10% отклонения. Это в том случае, если отличие нейтрино от антинейтрино объяснялось бы только поляризацией частиц.
Вместе с тем красота двухкомпонентной теории оказывала сильнейшее влияние на общественно физическое мнение. И действительно, с 1957 до 1980 г. не было ни одного опытного факта, который противоречил бы полной поляризации нейтрино.
В институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) в Москве группа ученых В.А. Любимов, В.З. Нозик, Е.Ф. Третьяков и В.С. Козик в 1980 г. завершила чрезвычайно трудный пятилетний цикл исследований и пришла к выводу, что масса электронного антинейтрино не равна 0, а лежит в пределах от 14 до 46 эВ.
Обнаруженная масса е приблизительно в 20 000 раз меньше, чем масса электрона, и на процессы - распада, где выделяется энергия 106 эВ, практически влияния не оказывает.
Если результаты эксперимента ИТЭФ правильны, то весьма вероятно, что и , о которых речь пойдет ниже, также имеют массы и,
- 26 -
возможно, существенно большие. Современные оценки m < 0,65МэВ, m< 250 МэВ.
Теория двухкомпонентного нейтрино, в котором масса нейтрино должна быть тождественно равной 0, нарушиться, и поляризация будет неполной, хотя отклонение будет весьма мало. Кроме того, из этого вытекает множество других следствий, например связь между массой нейтрино и плотностью вещества во вселенной.
- 27 -
4. ТИПЫ НЕЙТРИНО.
Число реакций, идущих с участием нейтрино, значительно расширилось после того, как началось изучение распадов космических частиц и частиц, рождающихся в опытах на ускорителях высоких энергий.
Рис. 3. Следы процесса + + e+ в фотоэмульсии.
Обратимся для примера к рис.3, где приведена микрофотография рас- пада + + e+, зарегистрированного в специальной эмульсии.
В точке 1, +-мезон останавливается и распадается. Отрезок между точками 1 и 2 - это след родившегося мюона. Длина его следа на фотографиях всегда одинакова, из чего можно сделать вывод, что энергия мюонов, образующихся при распадах - мезонов, постоянна. Закон сохранения импульса требует,
чтобы в сторону, противоположную движению, вылетало "что-то", что компенсирует его импульс а постоянство энергии мюонов и отсутствие следов в эмульсии говорят, что это всего одна нейтральная частица.
Поскольку спин +- мезона равен нулю, мюона - /2, то согласно закону сохранения момента импульса спин вылетающей частицы должен быть полуцелым. Дальнейшие исследования показали, что распад + - мезонов выглядит так: + ().
- 28 -
Теперь обратимся к точке 2. Здесь мюон останавливается и распадается. При этом вылетает позитрон, который может иметь разную энергию - от фотографии к фотографии длина его следа меняется. Из этого следует вывод о присутствии в распаде нескольких нейтральных частиц. Окончательно- е + + .
Можно привести примеры и других распадов, идущих с участием нейт- рино: К + (), K0 - + е+ + и т. п.
Вместе с тем было обращено внимание на то, что часть процессов, ко- торые, казалось бы, не нарушали никаких законов сохранения, не наблю- дались. Так, для - мезона энергетически возможно несколько схем распада:
+ е+ + + , (7)
+ е+ +, (8)
+ е+ + е+ + е- (9)
Осуществлялась же только одна - первая. Теория не находила удав- летворительного объяснения этому факту. Ведь процесс (8) можно предс- тавить себе как некое продолжение процесса (7). При этом и исчезают - аннигилирую в момент своего рождения, как частица и античастица, а вылетающий позитрон излучает - квант. Расчетная вероятность W-распада + е+ + по отношению к распаду + е+ + + составляет 10-3 - 10-4, но запретов на его существование нет.
Тем не менее, поиски процесса (8) не привели к положительным ре- зультатам. Со временем ограничение на вероятность все уменьшались: меньше 10-4, меньше 10-5, 10-7, 10-10 (1979 г.). Природа препятствовала мюонну распадаться на электрон и - квант, запрещала аннигилировать и . Попытки объяснить запрет реакций (8) и (9) привели к идее о существовании двух типов нейтрино. Одно сопутствует электрону - электронное нейтрино е, другое - мюону, мюонное нейтрино . В распаде нейтрона и -мезона возникают разные нейтрино
n p + e- +е,
- 29 -
- - + ,
а реакцию распада-мезона следует писать в виде:
+ е+ + + е .
Гипотеза должна была быть проверена экспериментом.
Опыт по изучению различия (или единства) и е был первым нейтринным экспериментом поставленным на ускорителях высоких энергий. Осуществить его предлагали несколько ученых - Б.М. Понтекорво, М.А. Марков, М. Шварц. Выполнен этот эксперимент был впервые на Брукхей- венском ускорителе (США) и через год в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных исследований).
Идея опыта заключалась в следующем. Пучок протонов, разогнанных в ускорителе, в определенный момент отклонялся мощным импульсом магнит- ного поля. Он выходил из камеры ускорителя и попадал на мишень, в ко- торой при взаимодействии протонов с веществом рождались быстрые - и К - мезоны. Вылетев из мишени и распадаясь на лету в специальном про- летном туннеле, мезоны излучали нейтрино и мюоны высоких энергий. Дальше пучок попадал в слой стали общей толщиной около 13 м, где практически поглощались все сильно взаимодействующие частицы (-, К-, -мезоны и т.п.).
Мезоны, остановившиеся в защите, тоже излучали при распаде нейтрино. Среди них и электронные, например при распаде мюонов. Но эти нейтроны обладали существенно меньшей энергией, чем родившиеся на лету, и не играли роли для проводившегося эксперимента. Если существуют два сорта нейтрино, и е , то ускоритель - практический чистый источник .
Пучок нейтрино попадал в детектор, где во взаимодействиях с веществом могли рождаться электроны и мюоны. Если электронные и мюоные нейтрино неразличимы, то число зарегистрированных электронов и мюонов должно было быть одинаковым. Но в опытах регистрировались практически одни мюоны, и это служило прямым доказательством различия и е. Чуть позже эксперименты, поставленные на ускорителях, позволили доказать
- 30 -
различие и нейтрино, сопровождающих + и - -мезоны, то есть различие мюонных антинейтрино и нейтрино.
В 1975 году в связи с открытием третьего заряженного лептона - -лептона было введено еще одно нейтрино -нейтрино. Рождается -нейтрино в распадах - лептона:
- + - ,
- + + е- ,
а также в распадах мезонов, более тяжелых, чем -лептон.
Нейтрино во всех взаимодействиях с другими частицами в свою очередь рождают заряженные лептоны только своего типа; с хорошей точностью это проверено для мюонных нейтрино, наблюдаются процессы типа:
+ n - + p,
+ p + + n
(Брукхейвен, 1962; ЦЕРН, 1964).
Все семейство нейтрино состоящее из электронного, мюонного, таонного нейтрино и соответствующих антинейтрино относится к классу лептонов. Класс лептонов (от греческого "мелкий, легкий") включает также электрон, позитрон и мюоны обоих знаков. Заряженные лептоны участвуют в электромагнитном и слабом взаимодействиях, нейтрино - только в слабом.
Для частиц, входящих в класс лептонов, введено правило, получившее название закона сохранения лептонного заряда (основополагающие работы принадлежат Я.Б. Зельдовичу, Е. Конопинскому и Х. Махмуду). Различие между тремя типами нейтрино описывается тремя сохраняющимися (или приближенно сохраняющимся) лептонными зарядами: электронным le, мюон- ным l и таонным l.
- 31 -
е e е- e+ + - - +
le, 1 -1 1 -1 0 0 0 0 0 0 0 0
l 0 0 0 0 1 -1 1 -1 0 0 0 0
l 0 0 0 0 0 0 0 0 1 -1 1 -1
Для фотонов и адронов значения всех лептонных зарядов равны 0.Считается, что во всех процессах сохраняется неизменной сумма лептонных зарядов. Например:
n p + e- +е, (le, = 0 - 0 + 1 - 1).
Процессы распада мюона на позитрон и - квант (8) или на электрон и два позитрона (9) запрещены новым законом. В этом смысле он подобен закону сохранения электрического заряда. Однако между двумя зарядами, электрическим и лептонным есть существенное отличие: первый определяет степень участия частицы в электромагнитных процессах, второй с взаимодействием лептонов непосредственно не связан.
Внутри одной группы частиц разные лептонные заряды соответствуют дираковскому подходу - частица и анитичастича отличаются знаком лептонного заряда, и в реакциях их нельзя заменять одну другой. Введение лептонных зарядов запрещает например, замену е на , т.е. переходы между двумя группами лептонов. Однако существуют теоретические обоснования для гипотезы о том, что закон сохранения лептонного заряда является приближенным и, в частности, возможны взаимные переходы различных типов нейтрино друг в друга - нейтринных осцилляций.
Впервые об осцилляциях говорилось в работах Б.М. Понтекорво в 1957 - 1958 гг., но идея была встречена без особого энтузиазма. Со временем положение изменилось с открытием массы нейтрино и парадоксом солнечных нейтрино, который будет рассмотрен ниже. Различные эксперименты, проведенные для подтверждения или опровержения этого факта, дают пока противоречивые результаты,
от существования осцилляций (группа физиков работавших во Франции, в Буже), до их отсутствия (группа Р. Мессбауэра). Ответ на этот вопрос - дело ближайшего будущего.
В заключение важно отметить, что вопрос о числе типов нейтрино остается открытым. Возможно, будут открыты еще и другие типы нейтрино.
- 32 -
Как уже отмечалось, нейтрино участвует только в электрослабом взаи-действии. В 1979 г. три физика-теоретика С. Вайнберг, А. Салам и Ш.Л. Глэшоу - были удостоены Нобелевской премии за создание единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий.
- 33 -
5. ДВОЙНОЙ - РАСПАД.
Еще одним интереснейшим процессом, связанным с нейтрино, является двойной - распад. Существование двойного - распада было предсказано чуть позже (1935 г.), чем существование нейтрино. Интерес к нему то почти совсем затухал, то вспыхивал с новой силой. Сейчас мы проходим через очередной максимум. Около десяти групп в различных странах мира заняты поисками двойного - распада.
При обычном - распаде в ядре A (Z,N) один нейтрон превращается в протон, ядро переходит в A (Z+1, N-1), испуская электрон и антинейтрино. В достаточно редких случаях оказывается энергетически выгоден двойной - распад. При нем переход выглядит следующим образом: A (Z,N) A (Z+2, N-2). Он происходит непосредственно между этими ядрами, если энергия промежуточного ядра А (Z+1, N-1) выше, чем у A (Z, N) (рис 4).
Рис. 4. Энергетические уровни трех ядер. Ядро Z, N способно испытывать двойной - распад.
Из ядра, вылетают сразу два электрона. Встает вопрос: вылетают ли при этом антинейтрино.
Действительно, превращение двух нейтронов в два протона может про- исходить независимо:
- 34 -
n p + e- + e
n p + е- + e двухнейтринный
двойной - распад
2n 2p + 2e- +2e
А (Z,N) A (Z+2, N-2) + 2e- + 2e
Если же предположить, что e тождественно е , то этот процесс может идти независимо. Нейтрино, испускаемое при распаде одного нейтрона, индуцирует распад второго:
n p + e- + e
n + е p + е- Безнейтринный двойной
- распад
2n 2p + 2e-
A (Z, N) A (Z+2, N-2) + 2e-
Очевидно, что в безнейтринном двойном - распаде нарушается закон охранения лептонного заряда, и он может происходить только при неполной поляризации нейтрино. А неполная поляризация связана с конечной массой. Обнаружение этого процесса принесло бы очень интересные результаты, поэтому так много сил было затрачено на его поиски.
Сопоставляя между собой реакции, можно увидеть, как в экспериментах отличить двухнейтринный - распад от безнейтринного. В последнем случае суммарная энергия электронов будет всегда постоянной - она определяется только разностью энергий основных состояний ядер A (Z,N) и A (Z+2, N-2). А в первом случае электроны обладают непрерывным спектром энергий, поскольку излучаются еще и два антинейтрино.
Если лептонный заряд сохраняется, то безнейтринный распад запрещен, а вот если е и e тождественны, то теория предсказывает, что этот тип распада должен происходить с существенно большей вероятностью, чем двухнейтринный.
Опыты Дэвиса и другие эксперименты говорят о том, что сильного нарушения закона сохранения лептонного заряда и значительной деполяризации нейтрино ожидать нельзя. Можно надеяться обнаружить
- 35 -
только слабый эффект. Соответственно этому безнейтринный двойной -распад сильно заторможен по сравнению со случаем тождества электронных нейтрино и антинейтрино, и вероятность его может стать равной или меньшей, чем вероятность двухнейтринного процесса (который идет всегда, когда это энергетически возможно).
Сейчас экспериментаторы пытаются обнаружить безнейтринный процесс, идущий со временем жизни 1021 - 1022 лет. (В области Т1/2< 1021 лет его уже не обнаружили.) А это значит, что в 1 грамме исходного вещества может происходить 1 распад за несколько лет. Как зарегистрировать такие активностиЕсть два способа, принципиально отличающиеся друг от друга. Пер- вый, косвенный, носит название геологического. В нем исходным матери- алом является минерал, содержащий изотоп, способный претерпевать 2-распад (Z,N). Физикам необходимо обнаружить в этом минерале атомы продукта распада (Z+2, N-2), накопившиеся там за миллиарды лет. Чтобы это сделать, надо, чтобы дочернее вещество возможно легче отделялось от материнского. Такому требованию удовлетворяют инертные газы, поэтому в геологических экспериментах исследовались переходы 128Te 128Xe, 130Te 130Xe, 82Se 82Kr.
Расскажем об одном из опытов, которые провела группа Т. Кирстена (США). Они взяли образцы теллуровой руды из глубинной шахты в Колорадо, чтобы иметь дело с веществом, подвергшимся как можно меньшему воздействию космических лучей. Затем несколькими методами определило и возраст образца.
Он оказался равным около 1,3 млрд. лет. Следующий шаг - измельчение образца, выделение из него газов и исследование их на масс спектрографе. При определении изотопного состава Xe выяснилось, что содержание изотопа 130Xe в десятки раз превышает обычное его содержание для атмосферного ксенона. Авторы рассмотрели все возможные процессы и реакции, которые могли бы привести к аномальному повышению концентрации 130Xe, и пришли к выводу, что, единственным разумным объяснением его избытка, остается 2-распад. Проанализировав возможные потери газа за период существования образца, они определили период полураспада теллура-130: Т1/2 130Te = (2,600,28)*1021 лет. Другие исследовательские группы дали близкие цифры.
Существование двойного - распада было подтверждено, но какого именно - двухнейтринного или очень подавленного безнейтринного, - этого
- 36 -
опыты пока показать не могли. Вопрос о механизме распада в геологических экспериментах остается открытым.
Ответ на него мог быть получен только в прямых экспериментах (второй способ), в которых наблюдались продукты распада. Как уже отмечалось, если бы сумма энергий двух зарегистрированных электронов была постоянной и равной энергии, выделяемой при распаде, это указывало бы на существование безнейтринного процесса и нарушение закона сохранения лептонного заряда. Прямые опыты проводились с самыми различными типами детекторов: камерой Вильсона, фотоэмульсиями, искровой камерой, сцинтилляционными и полупроводниковыми счетчиками.
Наиболее интересными являются работы миланской группы (группы Фиорини), в Международной лаборатории космических лучей, проведенные с использованием полупроводникового счетчика для исследования перехода 76Ge 76Se. (Рис. 5).
Основной частью полупроводникового счетчика является p - n переход. Свободных электронов здесь мало и в отсутствие ионизирующего излучения течет только малый тепловой ток. Тем меньший, чем больше сопротивление полупроводника, которое зависит от чистоты материала и от температуры кристалла. При прохождении заряженной частицы, она ионизирует атомы и в p - n - переходе появляются свободные заряды. Поле "растягивает" их в разные стороны, и возникающий при
этом электрический сигнал может быть зарегистрирован. Самым привлекательным свойством полупроводниковых счетчиков является возможность очень точно определять энергию, потерянную частицей в области p - n перехода, т.е. хорошее энергетическое разрешение. Основной недостаток таких детекторов - малое количество вещества в чувствительном объеме.
Рис.5. Схема установки используемой лионской группой.
- 37 -
Под высочайшим из альпийских пиков - Монбланом - проложен туннель длиной почти двенадцать километров, соединяющий Италию и Францию. На расстоянии четырех километром от итальянского выхода из туннеля рас- положена Лаборатория космических лучей. Сверху ее защищает около двух километров горных пород или около 4000 метров водного эквивалента. Такая мощная защита в миллионы раз ослабляет поток космических мюо- нов.
Внешняя защита - парафин - замедляет быстрые нейтроны, рождающиеся при взаимодействии мюонов с веществом или связанные с распадом естественных радиоактивных элементов. Дальше идет слой кадмия - "абсолютно черный", т.е. полностью поглощающий медленные нейтроны. Против гамма - квантов ведет борьбу защита из свинца. Сначала слой обычного свинца, но в нем самом могут быть загрязнения от примесей урана или тория. Кроме того, с развитием атомной промышленности и атомных испытаний многие материалы оказались "зараженными" радиоактивностью. Для человека эта радиоактивность совершенно не заметна - она в сотни и тысячи раз меньше естественного фона, но для таких низкофоновых установок она может оказаться опасной. Поэтому внутренний слой свинца специальный - с низким уровнем радиоактивности. Последний слой пассивной защиты - слой многократно очищенной перегонкой ртути. И, наконец, сердце установки - германиевый детектор.
Через хладопровод низкая температура от дюара с жидким азотом передавалась на кристалл германия. Этот кристалл выполнял двоякую роль. С одной стороны, он служил детектором образующихся электронов, а с другой - их источником. Дело в том, что в природном германии содержится около 7,5 % германия с атомным весом 76. Он может переходить в селен-76 с излучением двух электронов (в случае безнейтринного распада их суммарная энергия равна 2МэВ).
Для опытов был выращен уникальный по величине и чистоте кристалл объемом 68 см3. Он обладал великолепным энергетическим разрешением. В своих работах группа Фиорини приводит энергетический спектр зарегистрированных событий - многочисленные пики от различных радиоактивных элементов