РЕФЕРАТ
ТЕМА: «ФИЗИКА НЕЙТРИНО»
1999
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
1. Рождение нейтрино 5
2. Регистрациянейтрино 9
3. Нейтрино иантинейтрино 20
4. Типы нейтрино 27
5. Двойной /> -распад 33
6. Земные и космическиенейтрино 39
7. Нейтрино иастрофизика 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.
— Измезонов? — 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, открытыхвслед за нейтрино, а ими были нейтрон и позитрон, самого нейтрино никто ненаблюдал ни с помощью счетчиков Гейгера-Мюллера, ни в камере Вильсона. Егооткрытие — один из ярких примеров «открытий на кончике пера», показателей мощи современной физики, предсказать, а затем и зафиксироватьчастицы.
Интересно, как было высказанопервое предположение о существовании нейтрино. Вольфганг Паули — «отец» нейтрино, сделал это в письме, отправленном на конференциюфизиков в Тюбингенском университете. На начиналось, и заканчивалось оно шутливо:«Дорогие радиоактивные дамы и господа! Я прошу Вас выслушать совниманием в наиболее удобный момент посланца, доставившего данное письмо. Онрасскажет Вам, что я нашел отличное средство для спасения закона сохраненияэнергии 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 такойнейтрон, причем сумма энергии нейтрона и электрона постоянна...
Итак, дорогойрадиоактивный народ, рассматривайте и судите. К со- жалению, я не могупоявиться в Тюбингене лично, так как мое присутствие
— 4 -
здесьнеобходимо 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 онейтрино не является по- пыткой прикрыть новым термином нарушение законасохранения энергии в микромире.
В 1953 г. нейтрино было зарегистрировано в опытахФ. 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, становилосьвсе значительнее.
Что касается микромира, то за эти годыпредставления физиков об элементарности частиц претерпели значительныеизменения. Большинство из них (несколько сот), в том числе протоны инейтроны, рассматриваются сейчас как составные, состоящие из кварков. Нейтриноже остается фундаментальным кирпичиком материи, и тем важнее изучение егосвойств.
Значительную роль оноиграет 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, иустановил, что, она состоит по крайней мере из излучений двух типов: легкопоглощаемых 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 состоятиз 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 энергиираспределяется между продуктами распада. Для другого ядра может бытьэнергетически выгодно превращение протона в нейтрон.
В первом случае ядро претерпевает/> - распад, при которомизлучается отрицательно заряженный электрон е-. Заряд ядраувеличивается на единицу.
Z — (Z + 1) + е-. (1)
Во втором случае ядро либо испытывает/>+ — распад(излучается позитрон е+), либо захватывает один из ближайшихатомных электронов. В этих процессах, как уже говорилось, протон переходит внейтрон, а заряд ядра соответственно уменьшается на единицу.
Процесс />-распада таил в себе многие загадки. На первых порах, еще до созданияпротонно-нейтронной модели ядра, такой загадкой стал неп- рерывныйэнергетический спектр испускаемых электронов.
Чем определяется кинетическая энергия Е, скоторой электрон вылетает из ядра? Казалось бы, ясно — разностью энергий покояматеринского (Е1) и дочернего (Е2) ядер,энергия покоя электрона (mе c2) и энергией отдачи ядра. Последняя столь мала, чтоее 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, отвесьма малой до некоторой границы, как раз равной Е = Е1 — (Е2+mec2).
— 6 -
Для объяснения непрерывности /> — спектра высказывалисьсамые 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 спектрэлектронов, необходимо иметь источник излучения — кусочек материала с /> — активными атомами.Электроны, вылетающие с поверхности источника, не теряют своей энергии. Теже, 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, уменьшатьколичество вещества в нем, но тогда уменьшалась интенсивность /> - излучения и технические трудности не позволяли аккуратно измерить спектр.
Для проверки последнего предложения несколькогрупп эксперимента- торов (К. Элис и У. Вустер и др.) поставили так называемыекалоримет-рические опыты. Радиоактивный препарат помещался в калориметр снас- только толстыми стенками, что />-частицыполностью в них поглощались. Это позволяло измерить полную энергию, выделяемую за определенное время ( в том числе и теряемую в источнике) поповышению температуры калориметра. Зная активность препарата, и, темсамым, полное число испускаемых за это время />-частиц, можно рассчитать энергию, приходя- щуюся на одну частицу. Ожидалось, что онасовпадает сЕгр, но, многократно повторяя опыты,экспериментаторы каждый раз получали величину, равную средней (а немаксимальной) энергии />-спектра.
В декабре 1931 г. Вольфганг Паули на Римскойконференции по физике официально высказал предположение, что, кроме электронаили позитрона, в /> — распадеиспускается 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 ссобой ту часть энергии, импульса и момента импульса, которая недосчитываласьу электрона. Когда Паули излагал эту идею, Энрико Ферми перебил его словами:
- Называйте его«нейтрино»!
— 7 -
Дело в том, что по-итальянскиуменьшительно-ласкательное окончание «ино» соответствует русскому суффиксу «чик». Так что переводе с итальянского нейтрино будетозначать «нейтрончик».
Теперь уравнения />-распада для нуклонов примут следующий вид:
n/> p + e- + />, />--распад, (2)
p /> n + e++ />, />+-распад. (3)
Паули наделил новую частицу свойствами весьманеприятными для тех, кто попытался бы ее зарегистрировать. Предполагалосьтакже, что нейтрино имеет нулевой магнитный момент и собственный момент импульса, спин, равный />/2 или вовсяком случае полуцелый. После того, как Паули предложил идею нейтрино, онсказал своему другу, известному астроному Вальтеру Бааде :«Я сделалсегодня что-то ужасное. Физику теоретику никогда не следует делать этого. Япредложил нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально».Бааде предложил Паули пари на бутылку шампанского. Он стал утверждать, чтонейтрино будет зарегистрировано при их жизни. Оптимизм победил, шампанскоебыло выпито вместе с экспериментаторам и которые зарегистрировали нейтрино.
Поначалу сообщение об открытии новой частицыдалеко не у всех выз- вало энтузиазм. Гипотеза о существовании нейтрино казаласьслишком радикальной. Поэтому даже далекий от консерватизма Нильс Борпредпочитал отмалчиваться. По этому поводу можно привести отрывок извоспоминаний Х. Казимира: «Однажды пришло письмо от Паули, и Бор, нерешаясь что-либо высказать по поводу изложенных в нем мыслей, попросил свою жену написать Паули, что „Нильс ответит в понедельник“. Спустятри- 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 недолжен 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, Пауливысказывал 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 «Попыткапостроения теории испускания />-лучей».Это была количественная теория />-распада, исходившая из того, что
— 8 -
он обуславливается новым видом сил, которые позднеестали называться слабыми силами.
Теория />-распадаФерми строилась по аналогии с квантовой электро- динамикой, которая к томувремени была достаточно разработана. Механизм распада описывался следующимобразом: 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 извозбужденного состояния в основное, рождает электромагнитные кванты, которыхраньше в атоме не было.
Для описания слабого взаимодействия Ферми ввелконстанту G, которая играет роль, аналогичную роли заряда eдля электромагнитных сил. Теория Ферми позволяет рассчитать форму />-спектров, связатьграничную энергию распада со временем жизни радиоактивного ядра. На ееосновании можно было предсказать вероятность взаимодействия нейтрино свеществом. Вероятность эта оказалась еще на много порядков меньше, чем предполагал Паули. Так для поглощения нейтрино с энергией ~ 1МэВ (типичнойдля распада ядер) потребовался бы слой воды толщиной в сотни миллионов разпревышающий расстояние от Земли до Солнца. Теория предсказывала увеличениевероятности взаимодействия с ростом энергии нейтрино.
Аналогия слабого и электромагнитноговзаимодействия была гениально угадана Ферми, и получила полное подтверждениев наши дни. Этой теории, созданной на базе весьма немногих экспериментальныхданных, в дальнейшем была уготована нелегкая судьба. Уж слишком она казалась простой и не полной. Периодически, основываясь на результатахопытов, 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 огромнойстепени; однако все ( или почти все) новые факты удивительным образомукладываются в картину, нарисованную Ферми", — пишет Бруно МаксимовичПонтекорво, ученик Энрико Ферми.
— 9 -
2. РЕГИСТРАЦИЯ НЕЙТРИНО.
Какие еще требовались доказательствасуществования нейтрино, чтобы оно стало полноправным членом семействаэлементарных частиц; таким же, как электрон, протон или /> — квант? Ведь казалось, чтоопыты, проведенные А.И. Лейпунским (1936), Дж. Алленом (1942) подтвердили, чтов /> — распаде участвует«нечто», уносящее энергию и импульс. Хотя их результаты исогласовывались с гипотезой Паули и теорией Ферми, все это были лишь косвенныесвидетельства. «Нейтрино» все еще могло оказаться просто удобнойигрой слов, скрывающей за собой нарушение законов сохранения в слабомвзаимодействии. Однозначное доказательство мог дать эксперимент, в которомэта частица была бы зарегистрирована вдали от точки своего рождения. Найтинедостающую 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 — нетмассы, заряда, магнитного момента. Оно не может ионизировать или возбуждать атомы, а детекторы элементарных частиц чувствительны именно к электромагнитнымпроцессам.
Если же ничего этого нет, то нейтрино — «чистый» представитель слабых сил, без всяких электромагнитныхсвойств. Оно может себя обнаружить, только если путем слабого взаимодействияпередаст часть энергии заряженным частицам и уже те будут зарегистрированы.
В 1934 г. было предложено использовать для обнаружения нейтрино (более точно антинейтрино) реакцию, при которой оновзаимодействует с водородом ( с протонами) и рождает нейтрон и позитрон.
/> + p /> n + e+, (4)
Этотпроцесс обратен />--распадусвободного нейтрона. Реакция эта по многим признакам была оченьпривлекательна.
Во-первых, она обязана была происходить, чтоне было заранее известно о других процессах с участием нейтрино.
Во-вторых, теория Ферми предсказывала, что впотоке нейтрино не- больших энергий, например излучаемых при />-распаде ядер, вероятность этого процесса гораздо больше, чем любого другого.
— 10 -
В-третьих, две частицы, которые вылетают врезультате реакции, об- ладают достаточной энергией и можно надеяться на ихрегистрацию.
Кроме того, эта реакция имеет энергетическийпорог. Это означает, что она идет только в том случае, если энергия нейтринопревышает 1,8 МэВ. Рассчитать этот порог нетрудно: к разнице масс протона инейтрона 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 сэнергией 3 МэВ, и этот поток падает на мишень, например 1 м3воды (в воде достаточно большая концентрация протонов), то из 1018частиц прореагирует лишь одна. Все познается в сравнении, из 100 />-квантов той же энергии сводой провзаимодействуют 99. Эти цифры трудно назвать обнадеживающими.
Первые попытки обнаружить взаимодействиенейтрино с веществом де- лались при помощи источников, которые обладалиестественной радиоак -тивностью. Опытов было сделано много. Часто в нихиспользовались ог- ромнве (по тем временам) активности. В 1935 г. Намиаспытался определить число ионов, которые рождает нейтрино в воздухе. (А вдруг у частицы есть магнитный момент?). Он работал с источником, содержащим 5 граммрадия, и число нейтрино, излучаемых им во все стороны, составлялоприблизительно 1011 частиц в секунду. Ионизации Намиас необнаружил. Из эксперимента следовало, что пробег частицы до взаимодействия сатомами воздуха больше, чем миллион километров, и, значит, ее возможныймагнитный момент на несколько порядков меньше, чем у электрона.
2 декабря 1942 года под руководством ЭнрикоФерми в Америке был пущен первый ядерный реактор. В Советском Союзе запускреактора был осуществлен 25 декабря 1946 года. Руководил работами ИгорьВасильевич Курчатов. В физике и технике наступала новая эра и она, конечно,коснулась нейтрино.
Создание ядерных реакторов дало в рукифизиков 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, ночисло частиц с большой энергией крайне мало. Если мощность реакторасоставляет 1000 МВт, что не
особенно много по современным масштабам, то вокружающее 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 чтовыражение «обогревать улицу» здесь вполне уместно заменить на«обогревать Вселенную».
На детектор, расположенный на расстоянии 10-15м 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 ядерныхреакторов сразу же поставило вопрос о регистрации нейтрино. «В 1946 г.нейтрино рассмат -ривалось, вообще говоря, как недетектируемые частицы. Многиеуважаемые физики придерживались того мнения, что даже сам вопрос одетектировании свободных нейтрино просто бессмысленен (и не только из-за временных трудностей) так же, как, скажем бессмысленен вопрос, бывает ли всосуде давление, меньшее, чем 10-50 атмосферы», — пишет Б.Понтекорво.
Именно он обратил внимание на «нейтринные возможности» реактора. Впервые зарегистрировали нейтрино вдали от местаего рождения амери- канские физики Ф. Рейнес и К. Коуэн в опытах 1953-1954гг., при этом источником нейтрино служил ядерный реактор в Лос-Аламосе.
Хотя погоня за нейтрино началась сразу жепосле того, как Паули открыл его «на кончике своего пера», ждатьрезультатов 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 подавленияфона. Проблема фона в нейтринной физике стоит очень остро, ведь другиечастицы, попадая в нейтринный детектор, тоже регистрируются. Поэтому нужныереакции вполне могут оказаться незамеченными среди массы других процессов.Потребовалась многолетняя работа тля того, чтобы научиться выделять нейтринныесобытия 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 былспинтарископ Крукса. Он представлял собой экранчик из сернистого цинка. Припрохождении через экран частицы наблюдается очень слабая вспышка света, причемсветовое 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 минутнаблюдений, потом глаза начинали слезиться от напряжения, и приходилосьотдыхать. Чемпионом в лаборатории считался Ганс Гейгер. Однако он пренебрегсвоим чемпионским званием и, совместно с Мюллером, изобрел газоразрядный счетчик, надолго вытеснивший из практики метод вспышек, названный сцинтилляционным.
В 1944 году Керран и Бейкер использовали длясчета сцинтилляций фотоэлектронный умножитель, регистрирующий световыевспышки. Свет от каждой частицы преобразовывался в электрический импульс, изатем 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 сернистогоцинка прозрачным для собственного излучения кристаллом нафталина. Теперь светшел не с по- верхности, а из всего объема кристалла. Стало возможным регистрировать не только короткопробежные />-частицы, но и /> — и /> — излучение. За короткоевремя было разработано множество видов сцинтилляторов.
Для регистрации нейтрино, как правилоиспользуют жидкие сцинтилл- торы. Поскольку выращивать кристаллы, органическиеи неорганические, — сложное и дорогое дело. А их требуется очень много. Другое дело жидкости, хотя и с ними было много трудностей. В жидкихсцинтилляторах сам растворитель ( толуол, бензол, декалин и т.п.) обычнообладает очень слабыми сцинтилляционными свойствами и в него необходимо ввести специальные добавки - активаторы, которые «перехватывают» энергию от молекул растворителя и эффективнопревращают ее в свет.
Отработка таких сложных по составу растворовзаняла много времени. Кроме того, все компоненты жидкого сцинтиллятора должны были иметь высочайшую химическую чистоту.
Но кроме трудностей с получениемсцинтилляторов существовала еще одна проблема — проблема фона. Точностьлюбого измерения малой актив- ности всегда зависит от того насколько сильноудастся подавить фон.
А чтобы его подавить, необходимо знать природу,свойства фоновых час-
— 13 -
тиц. Можно вспомнить достаточно много случаев, когданеучтенный фон принимался за эффект, которого на самом деле несуществовало. Это приводило к ошибочным результатам измерений.
Первая составляющая фона связана с космическимизлучением. Оно бы- ло обнаружено по разрядке электроскопов и доставляломножество непри- ятностей физикам, занимавшимся в XIX веке опытами поэлектричеству.
Неуловимый вредитель стал для физиков вернымсоюзником. До созда- ния ускорителей элементарных частиц космические лучиявлялись единс- твенным источником излучения большой энергии. Опыты с нимипозволили понять многие закономерности микромира и обнаружить новыеэлементарные частицы: позитрон, /> — и /> - мезоны. Интереснейшееявление — космические ливни — были объяснены отечественными физиками Д.В.Скобельцыным, Л.Д. Ландау, И.Е. Таммом и др.
Потоки частиц из космоса падают на границуземной атмосферы. Те из них, которые обладают достаточной энергией и могутизбежать глубокой ловушки - магнитного поля Земли, устремляются кповерхности нашей планеты. И во взаимодействии с ядрами кислорода и азотарождают новые частицы.
При этом в лаборатории регистрируются три компоненты излучения: электроны, позитроны и />-кванты — это мягкая компонента; частицы, ко- торые участвуют в ядерномвзаимодействии — нуклоны, />-мезоны — ядерная компонента; наконец, положительные и отрицательные />-мезоны - жесткаякомпонента. 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 мжелеза 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 активнойзащиты. Установку стараются окружить, особенно сверху, либо баками с жидкимисцинтиллятором, либо пластинами из сцинтилляционной пластмассы, либо газовымиили черенковскими счетчиками. Мезоны, попавшие в основной детектор, с большойвероятностью проходят через детекторы активной защиты и регистрируются в них.Электронная схема следит за тем, когда импульсы от основного детектора изащитных совпадут по времени, и относит такое событие к фоновым. Полностью подавить мезонный фон не
— 14 -
удается, так как эффективность регистрации активнойзащиты не может быть 100%, но удается уменьшить его в сотни и тысячи раз.
Вторая компонента фона — естественнаярадиоактивность. Естественные радиоактивные элементы находятся в рассеянномсостоянии во всех
материалах установки, защиты, в воздухе и в самихэкспериментаторах. В природе существует три семейства элементов, обладающихестественной радиоактивностью: урана-радия, тория и актиния. Каждоесемейство - это ряд атомов, претерпевающих последовательный распад ипревращающихся в другие элементы, члены ряда. Есть еще отдельные радиоактивные изотопы, создаваемые в атмосфере космическим излучением м не входящие в этисемейства. Наконец, есть очень неприятный для ряда экспериментов изотоп 40К. Больше всего калия содержится в стеклах, в ФЭУ, в сопротивлениях делителяФЭУ.
Органические сцинтилляторы содержат значительноменьше радиоактив- ных загрязнений, чем неорганические кристаллы. Чаще всего ихфон связан с внешней радиацией.
Третий вид фона связан с самим источником нейтрино. При делении осколков урана в активной зоне реактора излучаютсамые разные частицы. Из них сквозь биологическую защиту проникают быстрые />-кванты и нейтроны. Если считать, что в защищенных помещениях реактора число быстрых нейтронов в стораз меньше предельно допустимой для персонала нормы, то вероятность ихрегистрации в детекторе с органическим сцинтиллятором все еще в миллион разбольше, чем для нейтрино. Это преимущество должно быть скомпенсированодополнительной защитой. Ведь фон, связанный с работой реактора, — один изсамых 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 зафиксироватьнейтрино вдали от места его рождения удалось американским физикам Рейнесу иКоуэну в 1953 году.
Для обнаружения нейтрино, а точнее антинейтрино, былаиспользована реакция /> + p /> n + e+.
Схема установки представлена на рис.1. Принципрегистрации заклю- чался в следующем. Нейтрино, летящее от реактора, попадает вмишень - пластиковый бак, наполненный двумястами литрами воды. В водерастворена соль кадмия CdCl3. При взаимодействии нейтрино сводородом (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 сделанадостаточно тонкой, чтобы вылетавшие из нее кванты попадали в баки с жидкимсцинтиллятором, установленные по обе стороны от мишени.
/>
Рис. 1. Схема опыта Рейнеса и Коуэна.А — точка поглощения нейтрино и появления позитрона инейтрона. В- точка аннигиляции позитрона, С – точка захвата нейтрона атомом кадмия.
Каждый бак содержит 1400 л жидкости. Его внутренняяповерхность покрыта отражающим материалом, чтобы как можно больше света отсцинтилляции собиралось на фотокатоды 110 фотоумножителей, который«просматривают» бак. Для выравнивания светового потока, ФЭУ отделеныот сцинтиллятора светопроводами, материалом для которых служит чистыйрастворитель (без сцинтилляционных добавок).
Первое известие о регистрации нейтрино подаютодновременно заре- гистрированные в детекторах анигиляционные />-кванты с определенной энергией. Несмотря на то, что детектор был защищен свинцом и бетоном, числофоновых импульсов, имитирующих появление позитрона в мишени, все еще вдесятки раз превышало ожидаемый эффект.
— 16 -
Поэтому пришлось прибегнуть к«услугам» нейтрона. Он быстро замед- ляется в воде — за несколькомиллионных долей секунды и захватывается ядром кадмия. Кадмий потому и былвведен в состав мишени, что с очень большой вероятностью захватывает медленные нейтроны и в результате этого процесс излучает несколько энергичных/> — квантов. Последние, такжепопадают в сцинтилляционные детекторы и регистрируются.
Теперь нейтринное событие может быть отделеноот фона по следующим признакам:
1. В детекторах одновременно возникают импульсы, соответствующие по энергии анигилиционным квантам.
2. Через определенное время в детекторах, тожеодновременно, появ- ляются импульсы, величина которых лежит в заданномдиапазоне. 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 экспериментеиспользовались две водные мишени и между ними три сцинтилляционных детектора. Общая масса установки кроме внешней свинцовой защиты, превышала 10т, а счет полезных событий составлял всего лишь 1,7 штуки за час, т.е. 40штук в сутки! Вместе с тем полное число реакций (4) в 400 литрах воды должнобыло составить около 2000. Такое уменьшение эффекта произошло потому, чтов борьбе с фоном пришлось ввести слишком много критериев отбора полезных событий, и, тем самым, снизить эффективность регистрации нейтрино.
Эффективность регистрации нейтринорассчитывалась и проверялась в контрольных экспериментах. Опытов былопроведено очень много. Напри- мер, для определения наиболее опасной компонентыфона — фона от реактора,
между активной зоной и установкой помещались массивнаядополнительная защита. Потоки всех частиц, кроме нейтрино, ослабляются этой защитой. И если наблюдаемые события все-таки каким-либо образом имитируютсяими, то число таких событий уменьшается. Однако величина эффекта осталась науровне 40 событий в сутки. Эксперимент, вместе с контрольными опытами, длился2085 часов, т.е. около трех месяцев чистого времени.
Точность опыта была не велика, однакопозволила утверждать, что вероятность взаимодействия нейтрино с протономнаходиться в согласии с результатами теории Ферми.
В течение 1959-1968 гг. группа физиков во главес Райнесом уточняла экспериментальные результаты исследования реакции (4). Одновременно с
— 17 -
этим, была начата подготовка к другим опытам среакторными нейтрино: поиска процесса рассеяния нейтрино на электроне ((e/>)(e/>’) - взаимодействие) и изучения взаимодействия /> с ядроматома тяжелого водорода — дейтоном. В первом случае был создан уникальный почувствительности сцинтилляционный детектор.
После обнаружения нейтрино все сильнее исильнее в нейтринной фи- зике стала звучать новая тема — возможностьрассеяния нейтрино на электроне.
В опубликованной в 1964 году книге академикаМ.А. Маркова читаем:
«Хотя подобный анализ возможностей, открываемых существованием ((e/>)(e/>’))-взаимодействия, очень напоминает дележ шкуры неубитого медведя, все же обсуждение различныхпорождаемых взаимодействием эф- фектов эвристически очень ценно.
… Хотим мы этого или не хотим, но тенденциив развитии физики слабых взаимодействий привели к тому, что детектированиепока выдуманного ((e/>)(e/>’))-взаимодействиястановится проблемой фундаментальной важности».
Реакция эта выглядит так:
/> + е-/> />’+ e-, (5)
т.е. ожидается, что налетающее нейтрино рассеиваетсяна 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, тоо существовании рассеяния нейтрино
на электроне заранее известно гораздо меньше.Конечно, очень заманчиво, чтобы по аналогии с электродинамикой слабые силыприводили к своеобразному эффекту Комптона, в котором роль />-кванта играло бырассеивающееся нейтрино. Тогда открывалась возможность для массы интереснейшихпроцессов (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 четырнадцатьпосле опубликования идеи Рейнесом. Все эти годы шло создание иусовершенствование детектора, накопление экспериментальных результатов.
— 18 -
Вероятность ((e/>)(e/>’))-рассеяния дляреакторных нейтрино в десятки раз меньше, чем вероятность процесса /> + р /> e+ + n.Продуктом реакции является электрон отдачи и это не позволяет использоватьтакую сложную систему отбора полезных событий и подавления фона, как этоделалось в опыте Рейнеса и Кроуэна.
Если рассмотреть хорошо защищенныйстолитровый сцинтилляционный детектор, расположенный в потоке нейтрино 1013/>/см2*с, точисло 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, чтолучше всего использовать для регистрации органический сцинтиллятор, которыйбудет одновременно служить и детектором, и мишенью. Тогда фон будет обусловлен />-лучами из окружающейсреды, а не внутренними загрязнениями. Разделение эффекта и фона может бытьосновано на различии между сигналом от />-квантови сигналом от электронов отдачи, созданных антинейтрино./> />
Рис. 2. Схема установки для обнаружениярассеяния нейтрино на электроне
— 19 -
Точнее на различии их пробегов в веществе. Схема центральной части установки, собственно сам детектор нейтрино, изображен нарис.2.
Пластический сцинтиллятор разделен на светоизолированные секции. Свет от каждой их них через светопровод из иодистогонатрия 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, сбольшой вероятностью целиком укладывается в пластическом сцинтилляторе.
Когда в установку попадает /> — квант, то он, скореевсего, регистрируется в активной защите из иодистого натрия, который со всехсторон 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 ееот импульса, вызванного нейтрино? Тогда используется тот факт, что световыеимпульсы от NaI и от пластического сцинтиллятора по характеру своего спада инарастания во времени различны. Специальная электронная схема разделяет их исчитает первый как фон.
Наконец, если />-квантпроивзоимодействовал в самом пластике, то с большой вероятностью этопроизойдет путем комптон — эффекта. Тогда рас- сеяный квант еще раззарегистрируется в детекторе. А любые двойные события считаются связаннымис 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 разуменьшить фон и обнаружить эффект.
При включенном реакторе счет одиночных событийсоставил 47 собы- тий/сутки, при выключенном — 40. Разность между ними 7событий/сутки — нейтринные события. Можно было считать доказаннымсуществование этого процесса. Наблюдение рассеяния нейтрино на электроне — одно из самых высших достижений сцинтилляционной техники и техникирегистрации малых активностей.
— 20 -
3. НЕЙТРИНО И АНТИНЕЙТРИНО.
В 1928 г. Поль Дирак вывел свое знаменитоеуравнение. Оно не только описывало поведение элементарных частиц со спином />/2 (фермионов), но ипредсказывало, что у каждой такой частицы есть своя античастица.
Последняя должна иметь туже массу и спин, что ичастица, 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 в1932 г. Затем, более чем через 20 лет, были открыты антипротон и антинейтрон.Дальнейшее продвижение в антимир шло более быстрыми темпами.
Нейтрино оказалось некоей двойственнойчастицей. С одной стороны, оно относится к семейству фермионов и должно описываться уравнением Дирака. С другой стороны, отсутствие заряда имагнитного момента делает непонятным отличие частицы от античастицы.
Теорию, описывающую электрически нейтральныефермионы как истинно нейтральные, не имеющие античастиц, создал в 1937 годуитальянский 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) илиидентично /> — />, предстояло решитьэкспериментаторам.
Метод исследования был найден БруноМаксимовичем Понтекорво. Как уже упоминалось, еще в 1946 г. он размышлял надвозможностью регист- рации нейтрино от ядерного реактора.
" В то время сцинтилляторы, которые многолет спустя были так успешно использованы Рейнесом и Коуэном длядетектирования реакторных антинейтрино, еще не были созданы, и мне пришло вголову, что проблема может быть решена радиохимическими методами, т.е. путемхимической концентрации изотопа, образующегося при обратном /> — процессе из очень большоймассы вещества, облучаемого нейтрино. При внимательном осмотре знаменитойтаблицы 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 электронногозахвата.…
Я написал здесь «нейтрино», а не />, потому, что вопрос о том,отличается ли /> от />, был еще не ясен".
Позднее именно процесс (5) был использован длядоказательства отличия /> от />.
Реакция прямого процесса — электронного захватаимеет вид:
37Ar + e-/> 37Cl + />,
(p + e-/> n + />). (6)
Аргон-37 распадается со временем жизни около 30дней, превращаясь в хлор-37 и излучая нейтрино.
Обратная реакция (5) представляет собойпревращение нейтрона в ядре хлора-37 в протон опять-таки под действием нейтрино/> + n /> p + e-. А вядерном реакторе при распаде осколков генерируются антинейтрино — частицы, сопутствующие электрону n /> p + e-+ />. Поэтому процесс (5) можетидти с полной вероятностью только в случае тождественности нейтрино иантинейтрино.
Эксперименты были поставлены группойамериканских физиков под ру- ководством Р. Дэвиса. Они проводились сначала наБрукхейвенском реакторе (1955 г.), затем на реакторе в Саванна-Ривер (1956-1959гг.).
Схема опыта состояла в следующем. Бак,содержащий несколько кубо- метров перхлорэтилена (C2Cl4),помещался под землей недалеко от рабо- тающего реактора. В него предварительновводился 1 см3 обычного аргона. Газ этот в дальнейшем мог служитьносителем, образующихся радиоактивных атомов 37Ar.
Один, иногда два месяца жидкость выдерживаласьпод нейтринным об- лучением для накопления аргона-37, а затем начиналасьпроцедура его извлечения. В течение нескольких часов через объем бакапропускался гелий. Он в виде мелких пузырьков проходил через жидкость и«вымывал» из нее атомы аргона. Затем гелий поступал в ловушки, заполненныеак- тивированным углем и охлажденные до температуры жидкого воздуха. Аргонконденсировался и захватывался на поверхности угля, а гелий свободно проходилчерез ловушку. После нескольких циклов такого процесса ловушка отделялась от системы, соединялась с детектором и нагревалась. Уголь выделял захваченныйаргон, и последний поступал в счетчик.
— 22 -
Зарегистрированная в этих экспериментахактивность была почти в 10 раз меньше, чем ожидалось в случае, если бынейтрино и антинейтрино были одинаковы. Она объяснялась фоновыми процессами,главным источником которых были быстрые космические частицы, попадающие вмишень и образующие аргон-37. Таким образом, процесс (5) не осуществляется,и, следовательно, нейтрино и антинейтрино — разные частицы.
Опыты Дэвиса еще продолжались, когда в физикеслабых взаимодейс- твий произошло крупнейшее событие — было открытонесохранение 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 ивремени.
Уравнения движения тел не меняются, еслиперенести начало отсчета времени. Результаты опыта останутся теми же, т.е.время обладает оп- ределенной симметрией — оно однородно. Ни один егопромежуток ничем не выделен по отношению к другим. Из этого, по теореме Нетер,следует закон сохранения энергии. Перенос начала координат в пространствене меняет физических результатов. Из однородности пространства вытекает закон сохранения импульса.
Кроме того, пустое пространство изотропно. Этоозначает, что в нем нет выделенных направлений, все направления равноправны.Поворот ко- ординат на любой угол не повлияет на результат опыта. Изизотропности пространства следует закон сохранения момента импульса. Можнопровести еще одно преобразование — сразу изменить направление всехкоординатных осей на противоположное. Это эквивалентно тому, что мы отражаемпроисходящий процесс в зеркале.
Существовала уверенность, что такое отражениетоже ничего не изменит.
То есть физическое явление или результатыэксперимента останутся прежними. Конкретная величина при таком преобразованииможет, и изменит знак. Любой вектор — скорость, импульс, сила, напряженность электрического поля и т.п. — меняет знак при отражении напротивоположный. Существуют и псевдовекторы — момент импульса (в частности, спин), магнитная индукция и т.п. Псевдовекторы знака не меняют, поскольку ихнаправление связано с направлением вращения (массы, электрического заряда) поили против часовой стрелки. А при отражении в зеркале направление вращения не изменяется. Векторы и псевдовекторы входят в
— 23 -
формулы, описывающие какие-либо процессы, такимобразом, что при «переходе в зеркальный мир» результаты этихпроцессов не меняются.
Пока речь шла об электромагнитном и сильномвзаимодействиях, все это строго выполнялось. Никакие опыты не помогли бы отличить «наш» мир от «зеркального», правое направлениеот левого.
В квантовой механике ( а именно для нее важнотакое «скачкообразное» преобразование пространства, как отражение)появляется новый закон сохранения. Он носит название закона сохраненияпространственной четности и является следствием зеркальной симметриипространства (Е. Вигнер, 1927 г.).
Все было ясно вплоть до 1956 г. когданеобычное поведение К — мезонов заставило усомниться в том, что для слабоговзаимодействия закон сохранения пространственной четности выполняется столь жестрого, как для электромагнитного и ядерного. Эти «сомнения» были опубликованы двумя американскими физиками, китайцами по национальности, Ли Тзун-дао и Янг Чжень-инем, «устное» же сомнениевпервые было высказано Р. Фейманом на Рочестерской конференции 1956 г. В своейстатье они предложили возможные схемы опытов, для проверки этой гипотезы, исразу же такая проверка начала осуществляться несколькими группамиэкспериментаторов.
Первой добилась группа, работающая подруководством Ву Цзянь-сюн из Колумбийского университета (США).
Идея опыта состояла в следующем. Если ядраатомов 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, законбудет нарушен. Ведь если в нашем мире существует такое явление, какпреимущественный вылет частиц по одному из направлений ( скажем, противспина), то при пространственном отражении процесса спин ядра не измениться, авектор скорости переменит знак и в зеркальном мире, преимущественный вылет электронов будет происходить по спину ядра.
Появиться возможность отличить наш мир отзеркального, а это про- тиворечит закону сохранения четности.
Опыты потребовавшие применения самойсовременной экспериментальной техники, полностью подтвердили гипотезу Ли иЯнга.
- 24 -
Сохранение четности нарушалось в процессах, которымиуправляло слабое взаимодействие.
Почти сразу же выяснилось, что это открытиесамым непосредственным образом коснулось нейтрино. Оказалось, что прирассмотрении решения уравнения Дирака для частицы с нулевой массой приусловии нарушения пространственной четности, то такая частица должна бытьполностью по- ляризована - ее спин всегда и строго направлен по (или против)импульса. Соответствующая ей анитчастица отличается противоположным знакомполяризации.
Если раньше уравнение Дирака для нейтриновключало 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 теорияполучила 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 поимпульсу частицы, а нейтрино — против.
Поведение полностью поляризованной частицы напоминает движение винта или буравчика, если уподобить спин вращениюрукоятки, а направление импульса — направлению закручивания винта. Так же, каку частицы, поступательное и вращательное движение винта жестко связаны. При этом аналогом антинейтрино является винт с правой резьбой, закручивающийся почасовой стрелке, а нейтрино — винт с левой резьбой.
При отражении в зеркале, нейтрино изменит знакимпульса на обратный, а направление спина не измениться. В результате излевого винта мы получим правый, из частицы античастицу. Раньше это запрещалзакон сохранения пространственной четности, теперь ограничение было снято.
Образовывалась явная не симметрия между«нашим» и «зеркальным» мирами.
Л.Д. Ландау предположил, что слабоевзаимодействие обладает более сложным типом симметрии, чем просто зеркальное отображение. Нашему миру симметричен не просто зеркальный мир, а зеркальныйантимир, в ко- тором все частицы заменены на античастицы, нейтрино — наантинейтрино. Только такие миры неразличимы.
В теории двухкомпонентного нейтрино отрицательныйрезультат опытов Дэвиса вытекал из поляризации. Действительно, чтобы вызватьпроцесс на хлоре-37, требовалось нейтрино «левыйвинт», а реактор излучает
— 25 -
антинейтрино — «правый винт». И реакциюобратного /> — распада этим час- тицамтак же невозможно вызывать, как завинтить такой винт в отверстие с левойрезьбой.
Следует отметить еще, что степень поляризациилегких частиц e- (e+) и />(/>) оказались тесно связаннойс 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 направлениеспина частицы не изменится. Это будет означать, что внутреннее свойство частицы зависит от системы отсчета, чего быть не должно. Поэтомускорость нейтрино V/> должна быть точно равна скорости света с и масса его m/> равнанулю.
Насколькоточно можно считать нейтрино полностью поляризованной частицей,насколько строго подтверждаются двухкомпонентная теория?
Результатыпрямых опытов (М. Гольдгабер и др., 1958 г.) давали возможностьотклонения поляризации от полной вплоть до 20%. На осно- вании более позднихэкспериментов можно было считать, что этот диапазон не более 10% Что касаетсяопытов Дэвиса, то, как мы видели, они допускали 10% отклонения. Это в том случае, еслиотличие нейтрино от антинейтрино объяснялось бы только поляризацией частиц.
Вместес тем красота двухкомпонентной теории оказывала сильнейшее влияние наобщественно физическое мнение. И действительно, с 1957 до 1980 г. небыло ни одного опытного факта, который противоречил бы полнойполяризации нейтрино.
Винституте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) в Москве группаученых В.А. Любимов, В.З. Нозик, Е.Ф. Третьяков и В.С. Козик в 1980г. завершила чрезвычайно трудный пятилетний цикл исследований и пришла к выводу, что масса электронного антинейтрино не равна 0, а лежит в пределах от14 до 46 эВ.
Обнаруженная масса />еприблизительно в 20 000 раз меньше, чем масса электрона, и на процессы /> — распада, где выделяетсяэнергия ~ 106эВ, практически влияния неоказывает.
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/>
Теориядвухкомпонентного нейтрино, в котором масса нейтрино должна быть тождественноравной 0, нарушиться, и поляризация будет неполной, хотяотклонение будет весьма мало. Кроме того, из этого вытекает множество других следствий, например связь между массой нейтрино и плотностьювещества во вселенной.
— 27 -
4. ТИПЫ НЕЙТРИНО.
Число реакций, идущих с участием нейтрино,значительно расширилось после того, как началось изучение распадов космическихчастиц и частиц, рождающихся в опытах на ускорителях высоких энергий.
/>
Рис. 3. Следы процесса />+/> />+ /> e+в фотоэмульсии.
Обратимсядля примера к рис.3, где приведена микрофотография рас- пада />+/> />+ /> e+,зарегистрированного в специальной эмульсии.
В точке 1, />+-мезоностанавливается и распадается. Отрезок между точками 1 и 2 — это следродившегося мюона. Длина его следа на фотографиях всегда одинакова, из чегоможно сделать вывод, что энергия мюонов, образующихся при распадах /> — мезонов, постоянна. Законсохранения импульса требует, чтобы в сторону, противоположную движению, /> вылетало«что-то», что компенсирует его импульс а постоянство энергии мюонови отсутствие следов в эмульсии говорят, что это всего одна нейтральнаячастица.
Поскольку спин />+-мезона равен нулю, мюона — />/2, тосогласно 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 мюоностанавливается и распадается. При этом вылетает позитрон, который может иметьразную энергию — от фотографии к фотографии длина его следа меняется. Из этогоследует 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, чточасть процессов, ко- торые, казалось бы, не нарушали никаких законовсохранения, 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 вмомент своего рождения, как частица и античастица, а вылетающий позитрон излучает /> — квант. Расчетнаявероятность 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 всеуменьшались: меньше 10-4, меньше 10-5, 10-7,10-10 (1979 г.). Природа препятствовала мюонну распадаться наэлектрон и /> — квант, запрещалааннигилировать /> и />. Попытки объяснить запретреакций (8) и (9) привели к идее о существовании двух типов нейтрино. Односопутствует электрону — электронное нейтрино />е,другое — мюону, мюонное нейтрино />/>. В распаде нейтрона и />-мезона возникают разныенейтрино
n /> p + e-+/>е/>,
— 29 -
/>-/> />-+ />/>,
а реакцию распада/>-мезонаследует 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- венскомускорителе (США) и через год в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных исследований).
Идея опыта заключалась в следующем. Пучокпротонов, разогнанных в ускорителе, в определенный момент отклонялся мощнымимпульсом магнит- ного поля. Он выходил из камеры ускорителя и попадал намишень, в ко- торой при взаимодействии протонов с веществом рождались быстрые /> - и К — мезоны. Вылетевиз мишени и распадаясь на лету в специальном про- летном туннеле, мезоны излучали нейтрино и мюоны высоких энергий. Дальше пучок попадал в слой сталиобщей толщиной около 13 м, где практически поглощались все сильновзаимодействующие частицы (/>-, К-, />-мезоны и т.п.).
Мезоны, остановившиеся в защите, тоже излучалипри распаде нейтрино. Среди них и электронные, например при распаде мюонов. Но эти нейтроны обладали существенно меньшей энергией, чем родившиеся налету, и не играли роли для проводившегося эксперимента. Если существуют двасорта нейтрино, />/> и />е, то ускоритель- практический чистый источник />/>.
Пучок нейтрино попадал в детектор, где вовзаимодействиях с веществом могли рождаться электроны и мюоны. Если электронные и мюоные нейтрино неразличимы, то число зарегистрированныхэлектронов и мюонов должно было быть одинаковым. Но в опытах регистрировалисьпрактически 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, тоесть различие мюонных антинейтрино и нейтрино.
В 1975 году в связи с открытием третьегозаряженного 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 другимичастицами в свою очередь рождают заряженные лептоны только своего типа; схорошей точностью это проверено для мюонных нейтрино, наблюдаются процессытипа:
/>/> + n /> /> — + p,
/>/> + p /> />+ + n
(Брукхейвен, 1962; ЦЕРН, 1964).
Все семейство нейтрино состоящее изэлектронного, мюонного, таонного нейтрино и соответствующих антинейтриноотносится 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, введеноправило, получившее название закона сохранения лептонного заряда(основополагающие работы принадлежат Я.Б. Зельдовичу, Е. Конопинскому и Х.Махмуду). Различие между тремя типами нейтрино описывается тремясохраняющимися (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 лептонныхзарядов равны 0.Считается, что во всех процессах сохраняется неизменнойсумма лептонных зарядов. Например:
n /> p + e-+/>е/>, (le, = 0 — 0 + 1 — 1).
Процессы распада мюона на позитрон и /> — квант (8) илина электрон и два позитрона (9)запрещены новым законом. В этом смысле он подобен законусохранения электрического заряда. Однако между двумя зарядами, электрическими лептонным есть существенное отличие: первый определяет степень участия частицы в электромагнитных процессах, второй с взаимодействием лептоновнепосредственно не связан.
Внутри одной группы частиц разные лептонныезаряды соответствуют дираковскому подходу — частица и анитичастича отличаютсязнаком 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 теоретическиеобоснования для гипотезы о том, что закон сохранения лептонного заряда являетсяприближенным и, в частности, возможны взаимные переходы различных типовнейтрино друг в друга — нейтринных осцилляций.
Впервые об осцилляциях говорилось в работахБ.М. Понтекорво в 1957 - 1958 гг., но идея была встречена без особогоэнтузиазма. Со временем положение изменилось с открытием массы нейтрино ипарадоксом солнечных нейтрино, который будет рассмотрен ниже. Различныеэксперименты, 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 числетипов нейтрино остается открытым. Возможно, будут открыты еще и другие типынейтрино.
— 32 -
Как уже отмечалось, нейтрино участвуеттолько 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, связаннымс нейтрино, является двойной /> — распад. Существование двойного /> — распадабыло предсказано чуть позже (1935 г.), чем существование нейтрино. Интерес кнему то почти совсем затухал, то вспыхивал с новой силой. Сейчас мы проходим через очередной максимум. Около десяти групп в различных странах мира занятыпоисками двойного /> — распада.
При обычном /> — распаде в ядре A (Z,N) один нейтрон превращаетсяв протон, ядро переходит в A (Z+1, N-1), испуская электрон иантинейтрино. В достаточно редких случаях оказывается энергетическивыгоден двойной /> — распад. При нем переход выглядитследующим образом: A (Z,N) /> A(Z+2, N-2). Он происходит непосредственно между этими ядрами, если энергияпромежуточного ядра А (Z+1, N-1) выше, чем у A (Z, N) (рис 4).
/>
Рис. 4. Энергетические уровни трех ядер. Ядро Z, N способноиспытывать двойной /> — распад.
Из ядра, вылетают сразу два электрона. Встаетвопрос: вылетают ли при этом антинейтрино.
Действительно, превращение двух нейтронов вдва протона может про- исходить независимо:
— 34 -
n /> p + e- + />e
n /> p + е- + />e двухнейтринный
/> двойной /> - распад
2n />2p + 2e-+2/>e
А (Z,N) /> A(Z+2, N-2) + 2e- + 2/>e
Если же предположить, что />eтождественно />е, то этот процесс можетидти независимо. Нейтрино, испускаемое при распаде одного нейтрона,индуцирует распад второго:
n /> p + e- + />e
n + />е/> p + е- Безнейтринныйдвойной
/> /> — 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 можетпроисходить только при неполной поляризации нейтрино. А неполная поляризациясвязана с конечной массой. Обнаружение этого процесса принесло бы оченьинтересные результаты, поэтому так много сил было затрачено на его поиски.
Сопоставляя между собой реакции, можноувидеть, как в экспериментах отличить двухнейтринный />-распад от безнейтринного. В последнем случае суммарная энергия электроновбудет всегда постоянной — она определяется только разностью энергий основныхсостояний ядер A (Z,N) и A (Z+2, N-2). А в первом случае электроны обладаютнепрерывным спектром энергий, поскольку излучаются еще и два антинейтрино.
Если лептонный заряд сохраняется, тобезнейтринный распад запрещен, а вот если />е и />e тождественны, то теория предсказывает, что этот тип распада должен происходить с существеннобольшей вероятностью, чем двухнейтринный.
Опыты Дэвиса и другие эксперименты говорят отом, что сильного нарушения закона сохранения лептонного заряда и значительнойдеполяризации нейтрино ожидать нельзя. Можно надеяться обнаружить
— 35 -
только слабый эффект. Соответственно этомубезнейтринный двойной/> -распад сильно заторможен по сравнению со случаемтождества электронных нейтрино и антинейтрино, и вероятность его может статьравной или меньшей, чем вероятность двухнейтринного процесса (который идетвсегда, когда это энергетически возможно).
Сейчас экспериментаторы пытаются обнаружитьбезнейтринный процесс, идущий со временем жизни 1021 — 1022лет. (В области Т1/2
Есть два способа, принципиально отличающиесядруг от друга. Пер- вый, косвенный, носит название геологического. В немисходным матери- алом является минерал, содержащий изотоп, способный претерпевать 2/>-распад (Z,N). Физикам необходимо обнаружить в этом минералеатомы продукта распада (Z+2, N-2), накопившиеся там за миллиарды лет. Чтобы этосделать, надо, чтобы дочернее вещество возможно легче отделялось отматеринского. 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 глубиннойшахты в Колорадо, чтобы иметь дело с веществом, подвергшимся как можно меньшему воздействию космических лучей. Затем несколькими методами определило ивозраст 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 егосодержание для атмосферного ксенона. Авторы рассмотрели все возможныепроцессы и реакции, которые могли бы привести к аномальному повышениюконцентрации 130Xe, и пришли к выводу, что, единственным разумнымобъяснением его избытка, остается 2/>-распад. Проанализировав возможные потери газа за период существования образца, ониопределили период полураспада теллура-130: Т1/2130Te =(2,60/>0,28)*1021 лет.Другие исследовательские группы дали близкие цифры.
Существование двойного /> — распада было подтверждено, но какого именно — двухнейтринного или оченьподавленного безнейтринного, — этого
— 36 -
опыты пока показать не могли. Вопрос о механизмераспада в геологических экспериментах остается открытым.
Ответ на него мог быть получен только в прямыхэкспериментах (второй способ), в которых наблюдались продукты распада. Как ужеотмечалось, если бы сумма энергий двух зарегистрированных электронов былапостоянной и равной энергии, выделяемой при распаде, это указывало бы насуществование безнейтринного процесса и нарушение закона сохранениялептонного заряда. Прямые опыты проводились с самыми различными типамидетекторов: камерой Вильсона, фотоэмульсиями, искровой камерой,сцинтилляционными и полупроводниковыми счетчиками.
Наиболее интересными являются работымиланской группы (группы Фиорини), в Международной лаборатории космическихлучей, проведенные с использованием полупроводникового счетчика дляисследования перехода 76Ge /> 76Se.(Рис. 5).
Основной частью полупроводникового счетчикаявляется p — n переход. Свободных электронов здесь мало и в отсутствиеионизирующего излучения течет только малый тепловой ток. Тем меньший, чембольше сопротивление полупроводника, которое зависит от чистоты материала и от температуры кристалла. При прохождении заряженной частицы, она ионизируетатомы и в p — n — переходе появляются свободные заряды. Поле«растягивает» их в разные стороны, и возникающий при этомэлектрический сигнал может быть зарегистрирован. Самым привлекательным свойством полупроводниковых счетчиков является возможность очень точноопределять энергию, потерянную частицей в области p — n перехода, т.е. хорошееэнергетическое разрешение. Основной недостаток таких детекторов — малоеколичество вещества в чувствительном объеме./> />
Рис.5. Схема установки используемой лионскойгруппой.
— 37 -
Под высочайшим из альпийских пиков — Монбланом- проложен туннель длиной почти двенадцать километров, соединяющий Италию иФранцию. На расстоянии четырех километром от итальянского выхода из туннелярас- положена Лаборатория космических лучей. Сверху ее защищает около двухкилометров горных пород или около 4000 метров водногоэквивалента. Такая мощная защита в миллионы раз ослабляетпоток космических мюо- нов.
Внешняя защита — парафин — замедляет быстрыенейтроны, рождающиеся при взаимодействии мюонов с веществом или связанные сраспадом 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 обычногосвинца, но в нем самом могут быть загрязнения от примесей урана или тория.Кроме того, с развитием атомной промышленности и атомных испытаний многиематериалы оказались «зараженными» радиоактивностью. Для человека этарадиоактивность совершенно не заметна — она в сотни и тысячи раз меньшеестественного фона, но для таких низкофоновых установок она может оказатьсяопасной. Поэтому внутренний слой свинца специальный - с низким уровнемрадиоактивности. Последний слой пассивной защиты — слой многократно очищеннойперегонкой ртути. И, наконец, сердце установки — германиевый детектор.
Через хладопровод низкая температура от дюара сжидким азотом передавалась на кристалл германия. Этот кристалл выполнялдвоякую роль. С одной стороны, он служил детектором образующихся электронов, а с другой — их источником. Дело в том, что в природном германии содержитсяоколо 7,5 % германия с атомным весом 76. Он может переходить в селен-76 сизлучением двух электронов (в случае безнейтринного распада их суммарнаяэнергия равна 2МэВ).
Для опытов был выращен уникальный по величине и чистоте кристалл объемом 68 см3. Он обладал великолепнымэнергетическим разрешением. В своих работах группа Фиорини приводитэнергетический спектр зарегистрированных событий - многочисленные пики отразличных радиоактивных элементов. Но в области 2 МэВ — там, где наравномерное распределение фоновых импульсов должен был наложиться«пик» от двух электронов с суммарной энергией 2,045 МэВ при общемвремени наблюдения в 187 суток, никаких пиков не наблюдалось. Это дало возможность
— 38 -
утверждать, что если двойной безнейтринный распад и происходит, то с временем жизни, превышающим 5 * 1021 лет. К каким же выводам это приводит?
Как уже отмечалось, на безнейтринный двойной /> — распад может быть наложендвойной запрет: законом сохранения лептонного заряда и полной поляризациейнейтрино (двухкомпонентной теорией).
Предположим, что лептонный заряд не сохраняется, и все отличие />е и />e только вих поляризации. Тогда существование малой массы нейтрино могло бы внестидеполяризацию и обусловить малую, но не нулевую вероятность безнейтринного /> - распада. Какойминимальной массе соответствует Т1/2
Эксперименты по поиску безнейтринного двойного /> - распада продолжаются.
— 39 -
6. ЗЕМНЫЕ И КОСМИЧЕСКИЕ НЕЙТРИНО
Мы все время говорили об искусственных, созданных руками человека источниках нейтрино. В тоже время существуютмногочисленные естественные источники: нейтринное излучение земных пород,космические и солнечные нейтрино и т.п.
В глубинах Земли и на ее поверхности рассеяны радиоактивные элементы, такие, как, например, уран, торий и продукты ихраспада. Часть этих элементов испытывает/> -распады, при которых возникает антинейтринное излучение. Оно проникает сквозьтолщу пород и несет интересную информацию о содержании недр нашей планеты. Увы, регистрация земных и />e насегодняшний день — технически невыполнимая задача. Даже оптимистические оценкивеличины их полного потока, сделанные на основании теплового баланса Земли, показывают, что этот поток на четыре, пять порядков меньше, чем от реактора.К тому же основная часть земных антинейтрино имеет совсем малую энергию, многониже порога большинства обратных реакций. Если воспользоваться для ихрегистрации таким классическим процессом, как и />e + p /> n + e+, топонадобиться 1000 т жидкого осциллятора, чтобы земные антинейтрино вызывали хотя бы одно событие в сутки (опять-таки при оптимистических оценках). Выделитьэто событие из фоновых излучений пока не представляется возможным.
Землю бомбардируют и атмосферные нейтрино,точнее, нейтрино от космических лучей. Происхождение их следующее. Быстрыекосмические протоны, врываясь в земную атмосферу, взаимодействуют с ядрами ирождают потоки />- и К — мезонов. Последние распадаются в основном на мюоны и мюонные нейтрино.Продукты распада наследуют энергию мезонов, которая может достигать сотенгигаэлектроновольт. А чем больше энергия нейтрино, тем больше вероятность еговзаимодействия с веществом, в результате которого рождается мюон.
Теперь представим себе, что огромная толщавещества поглотит все космическое излучение, все частицы, кроме нейтрино. Они проникнут сквозь это вещество и обнаружат себя потоком сопутствующих мюонов, рожденных в поверхностном слое и сумевшем выти наружу. В качествеэтой толщи вещества можно использовать нашу Землю, возможно, даже
— 40 -
целиком земной шар. При этом надо регистрироватьмюоны, идущие не к Земле, а из ее глубины (рис. 6).
/>
Рис. 6. Возникновение и регистрация космическихнейтрино: А – точка рождения пиона, В – точка распада пиона ирождения мюона и нейтрино, С – точка взаимодействия нейтрино с веществом ирождения мюона, D – область регистрации мюона.
Предложил исследовать космические нейтрино попотоку мюонов М.А. Марков (1960 г.). В своей книге «Нейтрино» (1964г.) он писал:
«Все известные частицы в космическихлучах, кроме нейтрино, поглощаются на пути десятка километров вещества и, таким образом, полностью экранируются планетой, если глубина, на которуюпомещена регистрирующая установка, конечно, достаточна, чтобы можно былопренебречь маловероятным процессом рассеяния /> -мезонов большой энергии „назад“, которое в принципе способноимитировать искомый эффект.
Другая, может быть, наиболее существеннаяособенность проявления конкретного эффекта /> +нуклон /> нуклон' + /> в условиях космического
— 41 -
эксперимента заключается в том, что регистрирующаяустановка собирает наблюдаемый эффект с грандиозных толщин вещества, лежащихпод уста- новкой...
Третья существенная особенность космическогоэксперимента заключается в принципиальной возможности использования вусловиях хорошего экранирования подземной установки больших площадейдетектирующих устройств, порядка нескольких сотен квадратных метров. Этиперечисленные своеобразные особенности космического эксперимента, какпоказывают детальные оценки, делают в принципе его возможным, хотя и трудноосуществимым.
Трудность его осуществления скорее чистопсихологическая: физики, работающие на ускорителях, уже привыкли киндустриальному характеру современного эксперимента...»
Призыв к экспериментаторам был услышан. Всегочерез год после вы- хода книги были зарегистрированы первые космическиенейтрино.
Исследования проводились практическиодновременно в двух глубочайших шахтах Южной Африки и Индии. Группа,работавшая под руководством Ф. Рейнеса в Южной Африке с октября 1964 г. поавгуст 1967 г., сообщила о регистрации 40 нейтринных событий. Второйустановкой (Индия) к концу 1968 г. было зарегистрировано 9 событий.
В 70-х годах в излучение космических нейтриновключилась Баксанская нейтринная обсерватория АН СССР. На Северном Кавказе, вБаксанском ущелье в скалы уходит туннель. Его общая протяженность должна составить около 4 км, а толщина горных пород над дальним концом туннелядостигнет 2 км. По ходу туннеля располагаются экспериментальные залы — огромные искусственные пещеры и помещения меньших размеров - низкофоновыекамеры. В начале туннеля, на расстоянии 550 м от входа, в первомэкспериментальном зале работает установка для регистрации космических нейтрино- сцинтилляционный телескоп, созданный коллективом физиков, под руководствомА.Е. Чудакова. Он расположен на глубине 300 м под скалой, что в тысячи разослабляет поток космических частиц, попадающих в телескоп «сверху» ине позволяет полезным сигналам утонуть в море фоновых.
Площадь телескопа 16*16 м. Он размещен вчетырехэтажном здании вы- сотой 11 м и содержит более 3000 отдельныхдетекторов. Каждый из них — это 150 — ти литровый бак с жидким сцинтиллятором. Баки расположены
— 42 -
четырьмя горизонтальными слоями (по слою на этаже)и вертикальными слоями вдоль стен дома.
Быстрая заряженная частица вызываетпоследовательные вспышки света в нескольких баках. Световые сигналы,преобразуются в электрические импульсы и поступают в ЭВМ, которая определяети запоминает направление полета частицы, ее скорость и т.д. Таким образом, можно выделить мюоны, летящие из нижней полусферы, и зарегистрироватьсобытия, связанные с космическими нейтрино, на фоне других сигналов, частотакоторых в миллионы раз больше.
Надо отметить, что сцинтилляционный телескоп — многоцелевой прибор. На нем ведутся самые разные исследования в областиастрофизики и физики элементарных частиц, в том числе и поиски нейтрино отгалактических объектов.
Поток нейтрино приходящих от звезд (кромеСолнца) очень мал. Даже от />-Центавра, ближайшей к нам звезды он в 10" раз меньше, чем от Солнца.Но это в том случае, когда звезда находиться в обычном “спокойном”состоянии и энергия, уносимая нейтрино, составляет 1-2% от всей излучаемой еюэнергии.
Такбывает не всегда. Порой нейтрино начинает играть ведущую роль в гигантскихперестройках небесных тел. Хотя этот процесс длится недолго, новсепроникающее излучение успевает унести огромную энергию.
Этот процесс — быстрое сжатие звезды — носит названиегравитационного коллапса. Он может сопровождаться выбрасыванием впространство части звездного вещества, гигантским увеличениемсветимости. Этот процесс носит название вспышки сверхновой. Понятиесверхновой звезды было введено астрономами В. Бааде и Ф. Цвирке. Так, порой неожиданно, складывается судьба ученых!
Сжатиезвезды начинается тогда, когда внутри нее термоядерные ис- точникиэнергии исчерпают все свои ресурсы. Еcли до этого существует равновесиемежду давлением нагретого газа ядра звезды и гравитационными силами, стремящимися сжать небесное тело, то после понижения температурыцентральных областей равновесие нарушается. Вещество звезды устремляетсяк центру, она сжимается, а это вновь приводит к повышению температуры ядра. Длямедленно вращающихся звезд имеющих
М /> 1,1Moдалее процесс сжатия идет постепенно… Для более массивных звезд картинаэволюции приобретает иной вид, а процесс сжатия приобретает взрывной характер. Очевидно, что при этом выделяющаяся энергия должна
— 43 -
каким-то образом весьма эффективно и быстро покидатьядро, понижая его температуру.
Одиниз механизмов утечки энергии с помощью нейтринного излучения был придуман Г. Гамовым и М. Шенбергом и получил от них название урка-процессов (URCAprocess). Столь необычная для астрофизики лексики имеет два распространенныхобъяснения. Первое основано на том, что Г. Гамов родился и вырос в Одессе ипоэтому использовал для похитителей энергии это колоритное определение.Второе, существенно более респектабельное, связано с проигрышем авторов в казино в Рио-де-Жанейро. После того как деньги перешли сначала в жетоны, азатем легко покинули физиков, им пришло в голову, что энергия посредствомнейтринного излучения способна проделать такую же шутку со звездой. Казиноимело звучное название «Казино де Урка».
Урка — процесс может происходить внутри звездыпри огромных температурах и плотностях вещества. он состоит в захватеэлектронов большой энергии ядром, сопровождающимся испусканием нейтрино e-+ A (Z, N) /> A (Z-1, N+1) + />, затем образовавшееся ядро испытывает/>-распад A (Z-1,N+1) /> A (Z, N) + e + />. Так энергия горячегоэлектронного газа «перекачивается» в энергию /> и />, которые могут унести ее из звезды. Рассматривались и многие другие механизмы охлаждения звездногоядра.
В данном случае существенен тот факт, чтопостепенное сжатие ядра может перерасти в процесс, идущий с огромной скоростьюи сопровождающийся гигантским всплеском нейтринного излучения. В течение оченькороткого времени это излучение способно вырываться из глубин звезды, но состремительным ростом плотности звездного вещества оно становитьсянепрозрачным даже для нейтрино. И последние попадают в космическоепространство только из внешних слоев. По расчетам астрофизиков, за несколькодесятков секунд, звезда излучает~ 1058 нейтрино всех сортов />е, />e , />/>,/>/> , />/>,/>/>.Средняя энергия нейтрино составляет 10-15 МэВ, а их поток на поверхностиЗемли, при коллапсе звезды в центре нашей галактики, равен 1012/>/см2 за время 10-30 с. Эти оценки остаются справедливыми для всех современных моделейразвития гравитационного коллапса.
Вспышки сверхновых в нашей галактике не такоеуж редкое явление. По разным оценкам продолжительность времени между ними колеблется от 15
— 44 -
до нескольких десятков лет. Коллапсы, несопровождающиеся сбросом оболочки звезды, как при вспышке сверхновой, должныпроисходить чаще.
Регистрация нейтрино от гравитационногоколлапса — вполне реальная задача. Наиболее удобный метод детектирования — использование реакции (4)
/> +p /> n + e+. В этомслучае полное число полезных событий в 100 т водородсодержащего жидкогосцинтиллятора составит несколько десятков.
Для уменьшения фона необходимо разместить установку глубоко под Землей, использовав тот факт, что продолжительностьсерии нейтринных сигналов составляет всего несколько десятков секунд и, наконец, регистрировать нейтрино одновременно несколькими детекторами, расположенными в нескольких местах.
Эта программа осуществляется. Так, в СССР, кроме сцинтилляционного телескопа в Баксанской нейтринной лаборатории, на«прием» этих нейтрино настроен и детектор, расположенный в солянойшахте, недалеко от г. Артемовска. Его чувствительная часть состоит из 100 т жидкого сцинтиллятора, в котором галактические />емогут регистрироваться по реакции (4).
Опыты по регистрации солнечных нейтринообнаружили еще один сюрприз, еще одну загадку, к сожалению, пока неразгаданную, но вызывающую к жизни многочисленные и интересные гипотезы.
Нейтрино рождается в недрах звезды, где при огромных давлениях идут термоядерные реакции синтеза тяжелых ядер излегких. Основным процессом является «горение» водорода иобразование из него гелия. Как пример, может быть приведен так называемыйводородный цикл:
1. Два протона превращаются в ядро тяжелого изотопа водорода — дейтон
р + р /> d + e+ + />е.
2. Протон и дейтон образуют ядро атома гелия-3
p + d /> 3He + />.
3. Наконец, два ядра гелия-3 сливаются ипревращаются в гелий-4 и 2 протона
3He + 3He/> 4He + 2p.
— 45 -
Конечный результат состоит в превращениичетырех протонов в одно ядро гелия-4, выделении энергии (~ 25МэВ) и испускании нейтрино с граничной энергией спектра ~ 0,4 МэВ. Поток этихмягких нейтрино на Земле составляет ~6 * 1010/>е /см2*с, около 95% полного потока. В спектре солнечных нейтрино лишь малая часть />е имеет энергию,большую 1 МэВ. Среди них особенно частицы, возникающие в термоядерных реакциях,в которых синтезируются ядра атома бора-8. При /> — распаде этих ядерграничная энергия />е достигает ~ 15 МэВ, но в полном потоке нейтрино наЗемле они составляют всего 10-4 часть.
Мягкий спектр - отсюда и малая вероятность взаимодействия с веществом (даже по нейтринным меркам), и невозможность использовать большинство обратных реакций из-заих нечувствительности к солнечным нейтрино (высокий энергетический порог) — воттрудности, возникающие перед экспериментаторами. Но вместе с темнейтрино – единственная частица, для которой звездное вещество прозрачно. Они несут информацию о состоянии материи во внутренних областях Солнца и опроцессах, происходящих там.
Опытыпо регистрации солнечных нейтрино были выполнены группой исследователей,возглавляемой Р. Дэвисом. Измерения продолжались более 15 лет — своеобразныйрекорд для экспериментальной физики Дэвис и его сотрудники использовали хлор — аргоновый метод Б.М. Понтекорво, тот самый, с помощью которого было доказаноразличие нейтрино и антинейтрино. Солнечные нейтрино должны вызывать реакцию (ведь этоименно/>е, а не />e! ) />е + 37Cl/> 37 Ar + e-.
Еепорог составляет 0,8 Мэв. Ожидалось, что в 1 т вещества (C2Cl4) образуется 1атом аргона в год, при этом 80% всех событий в детекторе будут вызванынейтрино испущенными при распаде бора-8. Из этой оценки очевидна огромная масса мишени и необходимость самых интенсивных мер для борьбы сфоновыми процессами.
ПоэтомуДэвис расположил свою аппаратуру на глубине, эквивалентной по массевещества почти 4,5 км воды, в золотой шахте штата Южная Дакота. В подземном зале была установлена в горизонтальном положении цистерна с 3800 000 лперхлорэтилена (C2Cl4), окруженная со всех сторон слоем воды. Этот слой дополнительно снижал поток фоновых частиц от стенок зала. Система извлечения аргона из гелия и его очистки от посторонних примесейзанимала второй подземный зал. С большой изобретательностью был
— 46 -
сконструирован и миниатюрный (объемом менее 1 см3)счетчик, в котором происходила регистрация излучения от распада 37Ar.
Ужепервые годы исследований принесли неожиданный результат. Оказалась, что скорость счета нейтринных событий во много раз меньше, чем ожидалитеоретики. Пришлось приступить к корректировке расчетных моделей, но полного согласия теории и эксперимента добиться не удалось. Сейчас, послемногих лет кропотливых измерений, усредненный экспериментальный эффектсоставляет ~ 30% от ожидаемого. Такое несоответствие вызвало к жизни множествогипотез.
Одни из них относились к характеру термоядерныхреакций и условиям их протекания в глубинах Солнца.
Другие касались природы нейтрино. Не может лионо быть не стабильным? Не существует ли у нейтрино необычного механизмапотерь энергии весьма малыми порциями так, что пока оно«пробирается» к поверхности Солнца, его энергия уменьшается? Непереходит ли по дороге от солнца к Земле один тип нейтрино (/>е), в другие (/>/>,/>/>),такие к которым хлорный детектор не чувствителен, т.е. осциллируют. Гипотеза обосцилляциях была высказана Б.М. Понтекорво и рассматривалась выше.
Стоит отметить, что, несмотря на обилиепредположений, ни одно из них пока не получило сколько-нибудь надежногоподтверждения. Загадка солнечных нейтрино остается открытой.
Огромные трудности регистрации />е от Солнца,необходимость заглубления установки на километры водного эквивалента обусловилимноголетнюю монополию группы Р. Дэвиса в этой области. Вместе с темрезультаты опытов столь важны и, столь необычны, что требуют независимогоподтверждения.
Исследования солнечных нейтрино в нашей странедолжны были начаться с вводом в эксплуатацию второй очереди Баксанскойнейтринной обсерватории. Их цель не просто проверить результаты опытов Дэвиса, но и провести гораздо более полное изучение потока солнечных нейтрино сиспользованием нескольких типов детекторов. Так, кроме хлор — аргоновогометода, сейчас развивается так называемый галлиево — германиевый : />е + 71Ga/> 71Ge + e-. Порог этой реакции 0,231 МэВ. Она имеет высокую чувствительность, к нейтриноосновных солнечных циклов, поток которых, как считают астрофизики, может бытьсосчитан с гораздо большей точностью, чем поток борных нейтрино. Используяэтот процесс (одновременно с хлор — аргоновым методом), можно надеятьсяразобраться в степени “виновности” термоядерных
— 47 -
или самого нейтрино в «нехватке» солнечныхнейтрино.
Как видно, нейтрино становиться уникальныминструментом для наблюдения за небесными телами. Родилась новая наука — нейтринная астрофизика. И в ее создании весомый вклад отечественных ученых: Г.Т. Зацепина, Я.Б. Зельдовича, М.А. Маркова, Б.М. Понтекорво, А.Е. Чудакова имногих других.
— 48 -
7.НЕЙТРИНО И АСТРОФИЗИКА.
Физические свойства нейтрино, и особенноналичие у нейтрино массы интересно и важно не только для физики микромира, но идля астрофизики. Мы коснемся только одного вопроса — о связимежду массой нейтрино и плотностью вещества во вселенной.
Как ранее упоминалось, согласноэкспериментальным данным, полученным в ИТЭФе, нейтрино в 20 000 раз легчеэлектрона и в 40 миллионов раз легче протона. Почему же теоретики считают, что эта легчайшая, ни с чем не взаимодействующая частица должна игратьопределяющую роль во Вселенной? Ответ прост: во Вселенной очень многореликтовых нейтрино. В кубическом сантиметре их в среднем более, чем вмиллиард раз больше, чем протонов, и, несмотря на ничтожную массу, в сумменейтрино оказываются главной составной частью массы материи во Вселенной.Нетрудно подсчитать, что если масса покоя электронных нейтрино равна 5 * 10-32г, то только их средняя плотность (не учитывая нейтрино других сортов)составляет примерно 10-29 г/см3, а это примерно в 30 разпревышает плотность всего другого, «не нейтринного» вещества. И,значит, именно тяготение нейтрино должно быть главной действующей силой, определяющей кинематику расширения Вселенной сегодня. Обычное вещество помассе, а значит, и по гравитационному действию составляет только 3%«примеси» к основной массе Вселенной — к массе нейтрино. Можнопоэтому смело сказать, что Вселенная состоит в основном из нейтрино, что мыживем в нейтринной вселенной.
Этот вывод имеет интересное следствие.
Важнейшим вопросом, касающимся эволюцииВселенной, является вопрос о том, будет ли вечно продолжаться ее расширение. Ответ зависит от того, чему равна средняя плотность материи во Вселенной: если плотность материи больше некоторого критического значения/>крит, тотяготение этой материи через какое-то время затормозит расширение Вселенной и заставит галактики сближаться друг с другом — Вселенная сменит расширение насжатие. Если же плотность меньше критического значения />крит, тогда тяготения материи недостаточно для того, чтобы остановить расширение, иВселенная будет расширяться вечно.
Критическая плотность, по современным оценкам,равна />крит ~ 10-29 г/см3. Еще недавно считалось, что основную долю плотности воВселенной составляет обычное вещество, для которого />крит ~ 10-31г/см3. Это
— 49 -
означало, что />вещ-вакрит и Вселеннаядолжна расширяться вечно. Теперь же есть веские основания считать, чтоплотность только реликтовых электронных нейтрино примерно равна критической/>/> ~10-29 г/см3 ~ />крит. Следует вспомнить, что, помимо реликтовых электронных нейтрино, естьеще мюонные и тау — нейтрино. Об их массе покоя ничего не известно из прямых экспериментов, однако, из теории и косвенных экспериментов следует,что если отлична от нуля масса покоя электронных нейтрино, то, вероятно,отлична от нуля и масса покоя других сортов нейтрино. Причем, вероятно, массыпокоя других сортов нейтрино не меньше массы покоя электронных нейтрино. Еслиэто учесть, то средняя плотность материи во Вселенной окажется больше критической. А это значит, что в далеком будущем, скорее всего черезмногие миллиарды лет, расширение Вселенной смениться сжатием, и причинойэтого «сильнейшего» вывода оказалась «слабейшая» из частиц- нейтрино.
Обратимся к вопросу о происхождении структурыВселенной. В начале ее расширения вещество представляло собой почтиоднородную расширяющуюся горячую плазму. Почему же эта однородная плазма на некотором этапе распадалась на комки, которые развились в небесные тела иих системы? Как появились зачатки скоплений галактик?
Согласно мнению большинства специалистов, подобный процесс происходит из-за гравитационной неустойчивости: маленькие случайные начальные сгустки вещества, своим тяготением стягивают веществои за счет этого усиливаются — сгущаются и разрастаются. Эти сгустки веществапри определенных условиях могут вырасти в большие комки, дающие началоскоплениям галактик. Основы теории описывающей этот процесс, были сформулированы еще в 1946 г. отечественным физиком Е.М. Лившицем.
Теперь мы можем считать, что во Вселеннойтяготение нейтрино оказывается важнейшим фактором, и именно это тяготение надо,прежде всего, учитывать при анализе роста неоднородностей вещества поддействием гравитационной неустойчивости.
Общая картина роста неоднородностейпредставляется следующей. В самые первые мгновения после начала расширенияВселенной были случайные, очень маленькие неоднородности в распространенииплотности материи в пространстве. Спустя всего 1 секунду после начала расширения плотность вещества уже достаточно велика, чтобы препятствоватьсвободному полету сквозь него нейтрино всех сортов. Нейтрино в этот период имеют еще
— 50 -
очень большую энергию и летят со скоростью, оченьблизкой к скорости света. При этом, естественно, идет выравнивание неоднородностей, создается более равномерное распределение нейтрино. Однакопроисходит это только в малых пространственных масштабах - в районесравнительно малых нейтринных сгущений.
Действительно, из сравнительно мелких сгущений нейтрино успевают вылететь и перемещаться с другими нейтрино достаточнобыстро, усредняя, сглаживая все неоднородности. И чем больше проходит времени,тем большие по размеру неоднородности нейтрино успевают рассосаться. Так будетпродолжаться до тех пор, пока нейтрино, теряющие энергию вследствие расширения Вселенной, не станут двигаться со скоростью заметно меньшей, чем скоростьсвета. Расчеты показывают, что примерно через 300 лет после началарасширения скорость нейтрино упадет настолько, что они уже не будут успеватьвылетать из комков большого размера. И такие комки, имеющие сначала сравнительномалую плотность, могут усиливаться тяготением, сгущаться, и расти, пока средане распадется на отдельные сжимающиеся облака из нейтрино.
Можно подсчитать, какой будет масса такихнейтринных облаков. Поскольку, главным образом только первые 300 летпроисходило выравнивание плотности, и нейтрино двигались с около световойскоростью, мы приходим к выводу, что выравнивание успело произойти в участках сразмерами, не превышающих 300 световых лет. В больших масштабах, в нейтринных сгустках большего размера, повышенная плотность нейтриносохранялась, затем усиливалась, и эти сгущения дали начало нейтринным облакам. Следовательно, масса этих облаков определяется количеством нейтрино,находившихся в сфере радиусом 300 световых лет через 300 лет после началарасширения Вселенной.
Расчет показывает, что типичная массанейтринного облака выражается только через фундаментальные природные константы:/> – постоянную Планка, G — гравитационную постоянную и m/> - массу покоя нейтрино. Первые три константы известны, и если принять, чтомасса покоя нейтрино действительно равна 35 эВ = 6 * 10-32 г, тоокажется, что масса типичного нейтринного облака составляет примерно 1015солнечных масс.
Форма нейтринных облаков, согласно Я.Б. Зельдовичу, должна быть очень сильно сплюснутой, что по форме они должны бытьпохожи на блины. Соединение множества таких «блинов», хаотично расположенных в пространстве, даст в совокупности картину гигантских,невидимых нейтринных сот.
— 51 -
Итак, к нашему времени в пространстве должнавозникнуть ячеистая структура невидимых нейтринных облаков. Таким образом, огромное море нейтрино, собранных в облака, в которых они движутся соскоростью порядка 1000 км/с, по-видимому, представляет собой то самое «нечто», которое раньше не учитывалось при исследовании Вселенной, ибез которого невозможно было объяснить многие важные ее черты.
Как говорят астрофизики-теоретики, теперь, после того как появилась основание ввести массу покоя нейтрино, многиенепонятное ранее встало на свои места.
— 52 -
8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Что происходит в нейтринной физике сейчас, вданную минуту?
Положение можно сравнить с накапливанием силперед очередной атакой. Должно пройти несколько лет, и мы узнаем...
Составляет ли масса нейтрино десяткиэлектроновольт или ее верхний предел опустится в область простоэлектроновольт. Тогда понадобятся новые идеи и новые методы для поиска массыэтой массы.
Справедливы ли предположения лионской группы осуществовании нейтринных осцилляций.
О новых результатах большой программы изучениясолнечных и космических нейтрино.
Исследователи двойного /> — распада продвинуться в точности своих опытов еще на порядок и будут работать в области периодовполураспада 1023-1024 лет.
Мы получим количественные результаты овзаимодействии реакторных />ес электроном, детоном, более сложными ядрами.
Нейтрино начнет решать практические задачи.
В заключении можно привести две цитаты,разделенные семнадцатилетним периодом:
" Современнику трудно гадать, какоеистинное место займет нейтрино в физике будущего. Но свойства этой частицыстоль элементарны и своеобразны, что естественно думать, что природа создаланейтрино с какими-то глубокими, пока для нас не всегда ясными«целями».
М.А. Марков, 1964 г.
"… Всего за полвека из ускользающейсущности нейтрино превратилось в фундамент нашего существования… Произошла«нейтринная революция». Эта революция затрагивает самыефундаментальные основы мира, в котором мы живем. Она произвела переворот и внашем подходе к физическим явлениям".
Я.Б. Зельдович, М.Ю. Хлопов, 1981 г.
.
— 53 -ЛИТЕРАТУРА
1. Боровой А. А. Как регистрируют частицы. М.,Наука, 1981.
2. Боровой А. А. 12 шагов нейтринной физики.М., Знание, 1985.
3. Нейтрино, Сборник статей.(Серия: «Современные проблемы физи- ки»). М., Наука, 1970.
4. Понтекорво Б.М. Нейтрино. М., Знание, 1966.
5. Новиков И. Гравитация, нейтрино ивселенная — Наука и жизнь, 1982, #2, с.22.