Физика нейтрино

Физика нейтрино

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 [pic] - 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 [pic]- 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 [pic]- излучения и более проникающих легких частиц - [pic]-излучения. Дальнейшие опыты показали, что [pic]- частицы - это поток электронов, вылетающих непосредственно из атомных ядер.

Прошли еще годы, стало ясно, что ядра состоят из протонов и нейтронов, определился механизм [pic]- 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[pic] - распад, при котором излучается отрицательно заряженный электрон е-. Заряд ядра увеличивается на единицу.

Z - (Z + 1) + е-.

(1)

Во втором случае ядро либо испытывает[pic]+- 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 [pic]- 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 ядра? Казалось 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 [pic]-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 [pic]- спектра высказывались самые раз- личные гипотезы, в том числе и такая радикальная, как не сохранение энергии при [pic]-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 [pic]- 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 [pic] - 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 [pic]-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 [pic]-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 [pic]-спектра.

В декабре 1931 г. Вольфганг Паули на Римской конференции по физике официально высказал предположение, что, кроме электрона или позитрона, в
[pic]- 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 [pic]- распада для нуклонов примут следующий вид:

n[pic] p + e- + [pic], [pic]--распад, (2) p [pic] n + e+ + [pic], [pic]+- 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 [pic]/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 [pic]- распаде путем введения нейтрино".

В конце того же 1933 г., в итальянском журнале "Riecera Scientifica" появилась статья Энрико Ферми "Попытка построения теории испускания [pic]- лучей". Это была количественная теория [pic]- распада, исходившая из того, что

- 8 -

он обуславливается новым видом сил, которые позднее стали называться слабыми силами.

Теория [pic]-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 [pic]-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 [pic]- квант? Ведь казалось, что опыты, проведенные А.И. Лейпунским (1936), Дж. Алленом (1942) подтвердили, что в
[pic]- 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.

[pic] + p [pic] n + e+, (4)

Этот процесс обратен [pic]--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 [pic]-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 [pic]-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 [pic]- кванты, а затем приходит черед [pic]- распада.

В среднем каждый из осколков претерпевает [pic]- 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 [pic]/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 [pic]- частицы, но и [pic]- и [pic]- 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, [pic]- и [pic] - 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 [pic]- кванты - это мягкая компонента; частицы, ко- торые участвуют в ядерном взаимодействии - нуклоны, [pic]-мезоны - ядерная компонента; наконец, положительные и отрицательные [pic]-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.

Страницы: 1, 2, 3, 4