![]() |
|
|
Физика нейтриноp> - 27 -4. ТИПЫ НЕЙТРИНО. Число реакций, идущих с участием нейтрино, значительно расширилось после того, как началось изучение распадов космических частиц и частиц, рождающихся в опытах на ускорителях высоких энергий. Рис. 3. Следы процесса [pic]+ [pic] [pic]+ [pic] e+ в фотоэмульсии. Обратимся для примера к рис.3, где приведена микрофотография рас- пада [pic]+ [pic] [pic]+ [pic] e+, зарегистрированного в специальной эмульсии. В точке 1, [pic]+-мезон останавливается и распадается. Отрезок
между точками 1 и 2 - это след родившегося мюона. Длина его следа на
фотографиях всегда одинакова, из чего можно сделать вывод, что энергия
мюонов, образующихся при распадах [pic]- мезонов, постоянна. Закон
сохранения импульса требует, чтобы в сторону, противоположную движению, Поскольку спин [pic]+- мезона равен нулю, мюона - [pic]/2, то согласно закону сохранения момента импульса спин вылетающей частицы должен быть полуцелым. Дальнейшие исследования показали, что распад [pic]+ - мезонов выглядит так: [pic][pic] [pic] [pic] + [pic]([pic]). - 28 - Теперь обратимся к точке 2. Здесь мюон останавливается и
распадается. При этом вылетает позитрон, который может иметь разную
энергию - от фотографии к фотографии длина его следа меняется. Из этого
следует вывод о присутствии в распаде нескольких нейтральных частиц. Можно привести примеры и других распадов, идущих с участием нейт- рино: К[pic] [pic] [pic] + [pic]([pic]), K0 [pic] [pic]- + е+ + [pic] и т. п. Вместе с тем было обращено внимание на то, что часть процессов, ко- торые, казалось бы, не нарушали никаких законов сохранения, не наблю- дались. Так, для [pic] - мезона энергетически возможно несколько схем распада: [pic]+ [pic] е+ + [pic] + [pic]+ [pic] е+ [pic]+ [pic] 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 [pic] и [pic]
исчезают - аннигилирую в момент своего рождения, как частица и античастица,
а вылетающий позитрон излучает [pic]- квант. Расчетная вероятность W-
распада [pic]+ [pic] е+ + [pic] по отношению к распаду [pic]+[pic] е+ + Тем не менее, поиски процесса (8) не привели к положительным ре-
зультатам. Со временем ограничение на вероятность все уменьшались:
меньше 10-4, меньше 10-5, 10-7, 10-10 (1979 г.). Природа препятствовала
мюонну распадаться на электрон и [pic]- квант, запрещала аннигилировать - 29 - [pic]- [pic] [pic]- + [pic][pic], а реакцию распада[pic]-мезона следует писать в виде: [pic]+ [pic] е+ + Гипотеза должна была быть проверена экспериментом. Опыт по изучению различия (или единства) [pic][pic] и [pic]е был
первым нейтринным экспериментом поставленным на ускорителях высоких
энергий. Осуществить его предлагали несколько ученых - Б.М. Понтекорво, Идея опыта заключалась в следующем. Пучок протонов, разогнанных в ускорителе, в определенный момент отклонялся мощным импульсом магнит- ного поля. Он выходил из камеры ускорителя и попадал на мишень, в ко- торой при взаимодействии протонов с веществом рождались быстрые [pic] - и К - мезоны. Вылетев из мишени и распадаясь на лету в специальном про- летном туннеле, мезоны излучали нейтрино и мюоны высоких энергий. Дальше пучок попадал в слой стали общей толщиной около 13 м, где практически поглощались все сильно взаимодействующие частицы ([pic]-, К-, [pic]-мезоны и т.п.). Мезоны, остановившиеся в защите, тоже излучали при распаде нейтрино. Среди них и электронные, например при распаде мюонов. Но эти нейтроны обладали существенно меньшей энергией, чем родившиеся на лету, и не играли роли для проводившегося эксперимента. Если существуют два сорта нейтрино, [pic][pic] и [pic]е , то ускоритель - практический чистый источник [pic][pic]. Пучок нейтрино попадал в детектор, где во взаимодействиях с
веществом могли рождаться электроны и мюоны. Если электронные и мюоные нейтрино неразличимы, то число зарегистрированных электронов и мюонов
должно было быть одинаковым. Но в опытах регистрировались практически одни
мюоны, и это служило прямым доказательством различия [pic][pic] и - 30 - различие и нейтрино, сопровождающих [pic]+ и [pic]- -мезоны, то есть различие мюонных антинейтрино и нейтрино. В 1975 году в связи с открытием третьего заряженного лептона - [pic]-[pic] [pic][pic] + [pic]- , [pic]-[pic] [pic][pic] + [pic][pic] + е- , а также в распадах мезонов, более тяжелых, чем [pic]-лептон. Нейтрино во всех взаимодействиях с другими частицами в свою очередь рождают заряженные лептоны только своего типа; с хорошей точностью это проверено для мюонных нейтрино, наблюдаются процессы типа: [pic][pic] + n [pic] [pic]- + p, [pic][pic] + p [pic] [pic]+ + n (Брукхейвен, 1962; ЦЕРН, 1964). Все семейство нейтрино состоящее из электронного, мюонного, таонного нейтрино и соответствующих антинейтрино относится к классу лептонов. Для частиц, входящих в класс лептонов, введено правило, получившее название закона сохранения лептонного заряда (основополагающие работы принадлежат Я.Б. Зельдовичу, Е. Конопинскому и Х. Махмуду). Различие между тремя типами нейтрино описывается тремя сохраняющимися (или приближенно сохраняющимся) лептонными зарядами: электронным le, мюон- ным l[pic] и таонным l[pic]. - 31 - [pic]е [pic]e е- e+ [pic][pic] 0 0 0 0 0 l[pic] 0 0 0 0 1 -1 1 -1 0 0 0 0 l[pic] 0 0 0 0 0 0 Для фотонов и адронов значения всех лептонных зарядов равны n [pic] p + e- +[pic]е[pic], (le, = 0 - 0 + 1 - 1). Процессы распада мюона на позитрон и [pic]- квант (8) или на электрон и два позитрона (9) запрещены новым законом. В этом смысле он подобен закону сохранения электрического заряда. Однако между двумя зарядами, электрическим и лептонным есть существенное отличие: первый определяет степень участия частицы в электромагнитных процессах, второй с взаимодействием лептонов непосредственно не связан. Внутри одной группы частиц разные лептонные заряды соответствуют дираковскому подходу - частица и анитичастича отличаются знаком лептонного заряда, и в реакциях их нельзя заменять одну другой. Введение лептонных зарядов запрещает например, замену [pic]е на [pic][pic], т.е. переходы между двумя группами лептонов. Однако существуют теоретические обоснования для гипотезы о том, что закон сохранения лептонного заряда является приближенным и, в частности, возможны взаимные переходы различных типов нейтрино друг в друга - нейтринных осцилляций. Впервые об осцилляциях говорилось в работах Б.М. Понтекорво в 1957 В заключение важно отметить, что вопрос о числе типов нейтрино остается открытым. Возможно, будут открыты еще и другие типы нейтрино. - 32 - Как уже отмечалось, нейтрино участвует только в электрослабом
взаи-действии. В 1979 г. три физика-теоретика С. Вайнберг, А. Салам и - 33 - 5. ДВОЙНОЙ [pic] - РАСПАД. Еще одним интереснейшим процессом, связанным с нейтрино, является двойной [pic] - распад. Существование двойного [pic] - распада
было предсказано чуть позже (1935 г.), чем существование нейтрино. При обычном [pic] - распаде в ядре A (Z,N) один нейтрон превращается в протон, ядро переходит в A (Z+1, N-1), испуская электрон и антинейтрино. В достаточно редких
случаях оказывается энергетически выгоден двойной [pic] - распад. При
нем переход выглядит следующим образом: A (Z,N) [pic] A (Z+2, N- Рис. 4. Энергетические уровни трех ядер. Ядро Z, N способно испытывать двойной [pic]- распад. Из ядра, вылетают сразу два электрона. Встает вопрос: вылетают ли при этом антинейтрино. Действительно, превращение двух нейтронов в два протона может про- исходить независимо: - 34 - n [pic] p + e- + [pic]e n [pic] p + е- + [pic]e двухнейтринный двойной [pic] - распад 2n [pic]2p + 2e- +2[pic]e А (Z,N) [pic] A (Z+2, N-2) + 2e- + 2[pic]e Если же предположить, что [pic]e тождественно [pic]е , то этот процесс может идти независимо. Нейтрино, испускаемое при распаде одного нейтрона, индуцирует распад второго: n [pic] p + e- + [pic]e n + [pic]е [pic] p + е- Безнейтринный двойной [pic]- распад 2n [pic] 2p + 2e- A (Z, N) [pic] A (Z+2, N-2) + 2e- Очевидно, что в безнейтринном двойном [pic] - распаде нарушается закон охранения лептонного заряда, и он может происходить только при неполной поляризации нейтрино. А неполная поляризация связана с конечной массой. Обнаружение этого процесса принесло бы очень интересные результаты, поэтому так много сил было затрачено на его поиски. Сопоставляя между собой реакции, можно увидеть, как в экспериментах
отличить двухнейтринный [pic]- распад от безнейтринного. В последнем
случае суммарная энергия электронов будет всегда постоянной - она
определяется только разностью энергий основных состояний ядер A (Z,N) и A Если лептонный заряд сохраняется, то безнейтринный распад запрещен, а вот если [pic]е и [pic]e тождественны, то теория предсказывает, что этот тип распада должен происходить с существенно большей вероятностью, чем двухнейтринный. Опыты Дэвиса и другие эксперименты говорят о том, что сильного нарушения закона сохранения лептонного заряда и значительной деполяризации нейтрино ожидать нельзя. Можно надеяться обнаружить - 35 -
только слабый эффект. Соответственно этому безнейтринный двойной[pic] Сейчас экспериментаторы пытаются обнаружить безнейтринный процесс, идущий со временем жизни 1021 - 1022 лет. (В области Т1/2< 1021 лет его уже не обнаружили.) А это значит, что в 1 грамме исходного вещества может происходить 1 распад за несколько лет. Как зарегистрировать такие активности? Есть два способа, принципиально отличающиеся друг от друга. Пер-
вый, косвенный, носит название геологического. В нем исходным матери- алом
является минерал, содержащий изотоп, способный претерпевать 2[pic]-
распад (Z,N). Физикам необходимо обнаружить в этом минерале атомы продукта
распада (Z+2, N-2), накопившиеся там за миллиарды лет. Чтобы это сделать,
надо, чтобы дочернее вещество возможно легче отделялось от материнского. Расскажем об одном из опытов, которые провела группа Т. Кирстена Он оказался равным около 1,3 млрд. лет. Следующий шаг - измельчение
образца, выделение из него газов и исследование их на масс
спектрографе. При определении изотопного состава Xe выяснилось, что
содержание изотопа 130Xe в десятки раз превышает обычное его содержание для атмосферного ксенона. Авторы рассмотрели все возможные процессы и
реакции, которые могли бы привести к аномальному повышению концентрации Существование двойного [pic]- распада было подтверждено, но какого именно - двухнейтринного или очень подавленного безнейтринного, - этого - 36 - опыты пока показать не могли. Вопрос о механизме распада в геологических экспериментах остается открытым. Ответ на него мог быть получен только в прямых экспериментах (второй
способ), в которых наблюдались продукты распада. Как уже отмечалось, если
бы сумма энергий двух зарегистрированных электронов была постоянной и
равной энергии, выделяемой при распаде, это указывало бы на существование
безнейтринного процесса и нарушение закона сохранения лептонного заряда. Наиболее интересными являются работы миланской группы (группы Основной частью полупроводникового счетчика является p - n переход. Рис.5. Схема установки используемой лионской группой. - 37 - Под высочайшим из альпийских пиков - Монбланом - проложен туннель длиной почти двенадцать километров, соединяющий Италию и Францию. На расстоянии четырех километром от итальянского выхода из туннеля рас- положена Лаборатория космических лучей. Сверху ее защищает около двух километров горных пород или около 4000 метров водного эквивалента. Такая мощная защита в миллионы раз ослабляет поток космических мюо- нов. Внешняя защита - парафин - замедляет быстрые нейтроны, рождающиеся при взаимодействии мюонов с веществом или связанные с распадом естественных радиоактивных элементов. Дальше идет слой кадмия - "абсолютно черный", т.е. полностью поглощающий медленные нейтроны. Против гамма - квантов ведет борьбу защита из свинца. Сначала слой обычного свинца, но в нем самом могут быть загрязнения от примесей урана или тория. Кроме того, с развитием атомной промышленности и атомных испытаний многие материалы оказались "зараженными" радиоактивностью. Для человека эта радиоактивность совершенно не заметна - она в сотни и тысячи раз меньше естественного фона, но для таких низкофоновых установок она может оказаться опасной. Поэтому внутренний слой свинца специальный - с низким уровнем радиоактивности. Последний слой пассивной защиты - слой многократно очищенной перегонкой ртути. И, наконец, сердце установки - германиевый детектор. Через хладопровод низкая температура от дюара с жидким азотом
передавалась на кристалл германия. Этот кристалл выполнял двоякую роль. С
одной стороны, он служил детектором образующихся электронов, а с другой Для опытов был выращен уникальный по величине и чистоте кристалл
объемом 68 см3. Он обладал великолепным энергетическим разрешением. В своих
работах группа Фиорини приводит энергетический спектр зарегистрированных
событий - многочисленные пики от различных радиоактивных элементов. Но в
области 2 МэВ - там, где на равномерное распределение фоновых импульсов
должен был наложиться "пик" от двух электронов с суммарной энергией 2,045 - 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 [pic]- распад может быть наложен двойной запрет: законом сохранения лептонного заряда и полной поляризацией нейтрино (двухкомпонентной теорией). Предположим, что лептонный заряд не сохраняется, и все отличие Эксперименты по поиску безнейтринного двойного [pic] - распада продолжаются. - 39 - 6. ЗЕМНЫЕ И КОСМИЧЕСКИЕ НЕЙТРИНО Мы все время говорили об искусственных, созданных руками человека источниках нейтрино. В тоже время существуют многочисленные 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 их распада. Часть
этих элементов испытывает[pic] - распады, при которых возникает
антинейтринное излучение. Оно проникает сквозь толщу пород и несет
интересную информацию о содержании недр нашей планеты. Увы, регистрация
земных и [pic]e на сегодняшний день - технически невыполнимая задача. Землю бомбардируют и атмосферные нейтрино, точнее, нейтрино от космических лучей. Происхождение их следующее. Быстрые космические протоны, врываясь в земную атмосферу, взаимодействуют с ядрами и рождают потоки [pic]- и К - мезонов. Последние распадаются в основном на мюоны и мюонные нейтрино. Продукты распада наследуют энергию мезонов, которая может достигать сотен гигаэлектроновольт. А чем больше энергия нейтрино, тем больше вероятность его взаимодействия с веществом, в результате которого рождается мюон. Теперь представим себе, что огромная толща вещества 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 качестве этой толщи вещества можно использовать нашу Землю, возможно, даже - 40 -
целиком земной шар. При этом надо регистрировать мюоны, идущие не к Рис. 6. Возникновение и регистрация космических нейтрино: А – точка рождения пиона, В – точка распада пиона и рождения мюона и нейтрино, С – точка взаимодействия нейтрино с веществом и рождения мюона, D – область регистрации мюона. Предложил исследовать космические нейтрино по потоку мюонов М.А. "Все известные частицы в космических лучах, кроме нейтрино, поглощаются на пути десятка километров вещества и, таким образом, полностью экранируются планетой, если глубина, на которую помещена регистрирующая установка, конечно, достаточна, чтобы можно было пренебречь маловероятным процессом рассеяния [pic] - мезонов большой энергии "назад", которое в принципе способно имитировать искомый эффект. Другая, может быть, наиболее существенная особенность проявления конкретного эффекта [pic] + нуклон [pic] нуклон' + [pic] в условиях космического - 41 - эксперимента заключается в том, что регистрирующая установка собирает наблюдаемый эффект с грандиозных толщин вещества, лежащих под уста- новкой... Третья существенная особенность космического эксперимента
заключается в принципиальной возможности использования в условиях
хорошего экранирования подземной установки больших площадей детектирующих
устройств, порядка нескольких сотен квадратных метров. Эти
перечисленные своеобразные особенности космического эксперимента, как
показывают детальные оценки, делают в принципе его возможным, хотя и трудно
осуществимым. Призыв к экспериментаторам был услышан. Всего через год после вы- хода книги были зарегистрированы первые космические нейтрино. Исследования проводились практически одновременно в двух глубочайших шахтах Южной Африки и Индии. Группа, работавшая под руководством Ф. В 70-х годах в излучение космических нейтрино включилась Баксанская
нейтринная обсерватория АН СССР. На Северном Кавказе, в Баксанском ущелье
в скалы уходит туннель. Его общая протяженность должна составить около |
|
|||||||||||||||||||||||||||||
![]() |
|
Рефераты бесплатно, реферат бесплатно, рефераты на тему, сочинения, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты, рефераты скачать, курсовые, дипломы, научные работы и многое другое. |
||
При использовании материалов - ссылка на сайт обязательна. |