Физика нейтрино

- 42 -

четырьмя горизонтальными слоями (по слою на этаже) и вертикальными слоями вдоль стен дома.

Быстрая заряженная частица вызывает последовательные вспышки света в нескольких баках. Световые сигналы, преобразуются в электрические импульсы и поступают в ЭВМ, которая определяет и запоминает направление полета частицы, ее скорость и т.д. Таким образом ,можно выделить мюоны, летящие из нижней полусферы, и зарегистрировать события, связанные с космическими нейтрино, на фоне других сигналов, частота которых в миллионы раз больше.

Надо отметить, что сцинтилляционный телескоп - многоцелевой прибор. На нем ведутся самые разные исследования в области астрофизики и физики элементарных частиц, в том числе и поиски нейтрино от галактических объектов.

Поток нейтрино приходящих от звезд (кроме Солнца) очень мал. Даже от [pic]- 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 ею энергии.

Так бывает не всегда. Порой нейтрино начинает играть ведущую роль в гигантских перестройках небесных тел. Хотя этот процесс длится недолго, но всепроникающее излучение успевает унести огромную энергию.

Этот процесс - быстрое сжатие звезды - носит название гравитационного коллапса. Он может сопровождаться выбрасыванием в пространство части звездного вещества, гигантским увеличением светимости.
Этот процесс носит название вспышки сверхновой. Понятие сверхновой звезды было введено астрономами В. Бааде и Ф. Цвирке. Так, порой неожиданно, складывается судьба ученых!

Сжатие звезды начинается тогда, когда внутри нее термоядерные ис- точники энергии исчерпают все свои ресурсы. Еcли до этого существует равновесие между давлением нагретого газа ядра звезды и гравитационными силами, стремящимися сжать небесное тело, то после понижения температуры центральных областей равновесие нарушается. Вещество звезды устремляется к центру, она сжимается, а это вновь приводит к повышению температуры ядра. Для медленно вращающихся звезд имеющих
М [pic] 1,1Mo далее процесс сжатия идет постепенно.. Для более массивных звезд картина эволюции приобретает иной вид, а процесс сжатия приобретает взрывной характер. Очевидно, что при этом выделяющаяся энергия должна

- 43 -

каким-то образом весьма эффективно и быстро покидать ядро, понижая его температуру.

Один из механизмов утечки энергии с помощью нейтринного излучения был придуман Г. Гамовым и М. Шенбергом и получил от них название урка- процессов (URCA process). Столь необычная для астрофизики лексики имеет два распространенных объяснения. Первое основано на том, что Г. Гамов родился и вырос в Одессе и поэтому 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, а затем легко покинули физиков, им пришло в голову, что энергия посредством нейтринного излучения способна проделать такую же шутку со звездой. Казино имело звучное название "Казино де Урка".

Урка - процесс может происходить внутри звезды при огромных температурах и плотностях вещества. он состоит в захвате электронов большой энергии ядром, сопровождающимся испусканием нейтрино e- + A
(Z, N) [pic] A (Z-1, N+1) + [pic], затем образовавшееся ядро испытывает[pic]-распад A (Z-1, N+1) [pic] A (Z, N) + e + [pic]. Так энергия горячего электронного газа "перекачивается" в энергию [pic] и
[pic], которые могут унести ее из звезды. Рассматривались и многие другие механизмы охлаждения звездного ядра.

В данном случае существенен тот факт, что постепенное сжатие ядра может перерасти в процесс, идущий с огромной скоростью и сопровождающийся гигантским всплеском нейтринного излучения. В течение очень короткого времени это излучение способно вырываться из глубин звезды, но со стремительным ростом плотности звездного вещества оно становиться непрозрачным даже для нейтрино. И последние попадают в космическое пространство только из внешних слоев. По расчетам астрофизиков, за несколько десятков секунд, звезда излучает ~ 1058 нейтрино всех сортов
[pic]е , [pic]e , [pic][pic], [pic][pic] , [pic][pic], [pic][pic].
Средняя энергия нейтрино составляет 10-15 МэВ, а их поток на поверхности
Земли, при коллапсе звезды в центре нашей галактики, равен 1012 [pic]/см2 за время 10-30 с. Эти оценки остаются справедливыми для всех современных моделей развития гравитационного коллапса.

Вспышки сверхновых в нашей галактике не такое уж редкое явление. По разным оценкам продолжительность времени между ними колеблется от 15

- 44 -

до нескольких десятков лет. Коллапсы, не сопровождающиеся сбросом оболочки звезды, как при вспышке сверхновой, должны происходить чаще.

Регистрация нейтрино от гравитационного коллапса - вполне реальная задача. Наиболее удобный метод детектирования - использование реакции (4)

[pic] + p [pic] n + e+. В этом случае полное число полезных событий в 100 т водородсодержащего жидкого сцинтиллятора составит несколько десятков.

Для уменьшения фона необходимо разместить установку глубоко под
Землей, использовав тот факт, что продолжительность серии 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 соляной шахте, недалеко от г.
Артемовска. Его чувствительная часть состоит из 100 т жидкого сцинтиллятора, в котором галактические [pic]е могут регистрироваться по реакции (4).

Опыты по регистрации солнечных нейтрино обнаружили еще один сюрприз, еще одну загадку, к сожалению, пока не разгаданную, но вызывающую к жизни многочисленные и интересные гипотезы.

Нейтрино рождается в недрах звезды, где при огромных давлениях идут термоядерные реакции синтеза тяжелых ядер из легких. Основным процессом является "горение" водорода и образование из него гелия. Как пример, может быть приведен так называемый водородный цикл:

1. Два протона превращаются в ядро тяжелого изотопа водорода - дейтон

р + р [pic] d + e+ + [pic]е.

2. Протон и дейтон образуют ядро атома гелия-3

p + d [pic] 3He + [pic].

3. Наконец, два ядра гелия-3 сливаются и превращаются в гелий-4 и
2 протона

3He + 3He [pic] 4He + 2p.

- 45 -

Конечный результат состоит в превращении четырех протонов в одно ядро гелия-4, выделении энергии (~ 25 МэВ) и испускании нейтрино с граничной энергией спектра ~ 0,4 МэВ. Поток этих мягких нейтрино на
Земле составляет ~6 * 1010 [pic]е /см2*с, около 95% полного потока. В спектре солнечных нейтрино лишь малая часть [pic]е имеет энергию, большую 1
МэВ. Среди них особенно частицы, возникающие в термоядерных реакциях, в которых синтезируются ядра атома бора-8. При [pic]- распаде этих ядер граничная энергия [pic]е достигает ~ 15 МэВ, но в полном потоке нейтрино на Земле 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-за их нечувствительности к солнечным нейтрино (высокий энергетический порог) - вот трудности, возникающие перед экспериментаторами. Но вместе с тем нейтрино – единственная частица, для которой звездное вещество прозрачно. Они несут информацию о состоянии материи во внутренних областях Солнца и о процессах, происходящих там.

Опыты по регистрации солнечных нейтрино были выполнены группой исследователей, возглавляемой Р. Дэвисом. Измерения продолжались более 15 лет - своеобразный рекорд для экспериментальной физики Дэвис и его сотрудники использовали хлор - аргоновый метод Б.М. Понтекорво, тот самый, с помощью которого было доказано различие нейтрино и антинейтрино.
Солнечные нейтрино должны вызывать реакцию ( ведь это именно[pic]е, а не
[pic]e ! ) [pic]е + 37Cl [pic] 37 Ar + e-.

Ее порог составляет 0,8 Мэв. Ожидалось, что в 1 т вещества (C2Cl4) образуется 1 атом аргона в год, при этом 80% всех событий в детекторе будут вызваны нейтрино испущенными при распаде бора-8. Из этой оценки очевидна огромная масса мишени и необходимость самых интенсивных мер для борьбы с фоновыми процессами.

Поэтому Дэвис расположил свою аппаратуру на глубине, эквивалентной по массе вещества почти 4,5 км воды, в золотой шахте штата Южная Дакота. В подземном зале была установлена в горизонтальном положении цистерна с
3800 000 л перхлорэтилена (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 примесей занимала второй подземный зал. С большой изобретательностью был

- 46 -

сконструирован и миниатюрный (объемом менее 1 см3) счетчик, в котором происходила регистрация излучения от распада 37Ar.

Уже первые годы исследований принесли неожиданный результат.
Оказалась, что скорость счета нейтринных событий во много раз меньше, чем ожидали теоретики. Пришлось приступить к корректировке расчетных моделей, но полного согласия теории и эксперимента добиться не удалось.
Сейчас, после многих лет кропотливых измерений, усредненный экспериментальный эффект составляет ~ 30% от ожидаемого. Такое несоответствие вызвало к жизни множество гипотез.

Одни из них относились к характеру термоядерных реакций и условиям их протекания в глубинах Солнца.

Другие касались природы нейтрино. Не может ли оно быть не стабильным? Не существует ли у нейтрино необычного механизма потерь энергии весьма малыми порциями так, что пока оно "пробирается" к поверхности Солнца, его энергия уменьшается? Не переходит ли по дороге от солнца к Земле один тип нейтрино ([pic]е), в другие
([pic][pic],[pic][pic]), такие к которым хлорный детектор не чувствителен, т.е. осциллируют. Гипотеза об осцилляциях была высказана Б.М. Понтекорво и рассматривалась выше.

Стоит отметить, что, несмотря на обилие предположений, ни одно из них пока не получило сколько-нибудь надежного подтверждения. Загадка солнечных нейтрино остается открытой.

Огромные трудности регистрации [pic]е от Солнца, необходимость заглубления установки на километры водного эквивалента обусловили многолетнюю монополию группы Р. Дэвиса в этой области. Вместе с тем результаты опытов столь важны и, столь необычны, что требуют независимого подтверждения.

Исследования солнечных нейтрино в нашей стране должны были начаться с вводом в эксплуатацию второй очереди Баксанской нейтринной обсерватории.
Их цель не просто проверить результаты опытов Дэвиса, но и провести гораздо более полное изучение потока солнечных нейтрино с использованием нескольких типов детекторов. Так, кроме хлор - аргонового метода, сейчас развивается так называемый галлиево - германиевый : [pic]е + 71Ga [pic]
71Ge + e-. Порог этой реакции 0,231 МэВ. Она имеет высокую чувствительность, к нейтрино основных солнечных циклов, поток которых, как считают астрофизики, может быть сосчитан с гораздо большей точностью, чем поток борных нейтрино. Используя этот процесс (одновременно с хлор - аргоновым методом), можно надеяться разобраться в степени “виновности” термоядерных

- 47 -

или самого нейтрино в "нехватке" солнечных нейтрино.

Как видно, нейтрино становиться уникальным инструментом 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 и многих других.

- 48 -

7. НЕЙТРИНО И АСТРОФИЗИКА.

Физические свойства нейтрино, и особенно наличие у нейтрино массы интересно и важно не только для физики микромира, но и для астрофизики.

Мы коснемся только одного вопроса - о связи между массой нейтрино и плотностью вещества во вселенной.

Как ранее упоминалось, согласно экспериментальным данным, полученным в ИТЭФе, нейтрино в 20 000 раз легче электрона и в 40 миллионов раз легче протона. Почему же теоретики считают, что эта легчайшая, ни с чем не взаимодействующая частица должна играть определяющую роль во Вселенной?
Ответ прост: во Вселенной очень много реликтовых нейтрино. В кубическом сантиметре их в среднем более, чем в миллиард раз больше, чем протонов, и, несмотря на ничтожную массу, в сумме нейтрино оказываются главной составной частью массы материи во Вселенной. Нетрудно подсчитать, что если масса покоя электронных нейтрино равна 5 * 10-32 г, то только их средняя плотность (не учитывая нейтрино других сортов) составляет примерно 10-29 г/см3, а это примерно в 30 раз превышает плотность всего другого, "не нейтринного" вещества. И, значит, именно тяготение нейтрино должно быть главной действующей силой, определяющей кинематику расширения Вселенной сегодня. Обычное вещество по массе, а значит, и по гравитационному действию составляет только 3% "примеси" к основной массе Вселенной - к массе нейтрино. Можно поэтому смело сказать, что Вселенная состоит в основном из нейтрино, что мы живем в нейтринной вселенной.

Этот вывод имеет интересное следствие.

Важнейшим вопросом, касающимся эволюции Вселенной, 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[pic]крит, то тяготение этой материи через какое-то время затормозит расширение Вселенной и заставит галактики сближаться друг с другом - Вселенная сменит расширение на сжатие.
Если же плотность меньше критического значения [pic]крит, тогда тяготения материи недостаточно для того, чтобы остановить расширение, и
Вселенная будет расширяться вечно.

Критическая плотность, по современным оценкам, равна [pic]крит ~
10-29 г/см3. Еще недавно считалось, что основную долю плотности во
Вселенной составляет обычное вещество, для которого
[pic]крит ~ 10-31 г/см3. Это

- 49 -

означало, что [pic]вещ-ва < [pic]крит и Вселенная должна расширяться вечно. Теперь же есть веские основания считать, что плотность только реликтовых электронных нейтрино примерно равна критической[pic][pic] ~ 10-
29 г/см3 ~ [pic]крит . Следует вспомнить, что, помимо реликтовых электронных нейтрино, есть еще 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, массы покоя других сортов нейтрино не меньше массы покоя электронных нейтрино. Если это учесть, то средняя плотность материи во Вселенной окажется больше критической. А это значит, что в далеком будущем, скорее всего через многие миллиарды лет, расширение Вселенной смениться сжатием, и причиной этого "сильнейшего" вывода оказалась "слабейшая" из частиц - нейтрино.

Обратимся к вопросу о происхождении структуры Вселенной. В начале ее расширения вещество представляло собой почти однородную расширяющуюся горячую плазму. Почему же эта однородная плазма на некотором этапе распадалась на комки, которые развились в небесные тела и их 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 вещество и за счет этого усиливаются - сгущаются и разрастаются. Эти сгустки вещества при определенных условиях могут вырасти в большие комки, дающие начало скоплениям галактик. Основы теории описывающей этот процесс, были сформулированы еще в 1946 г. отечественным физиком Е.М. Лившицем.

Теперь мы можем считать, что во Вселенной тяготение нейтрино оказывается важнейшим фактором, и именно это тяготение надо, прежде всего, учитывать при анализе роста неоднородностей вещества под действием гравитационной неустойчивости.

Общая картина роста неоднородностей представляется следующей. В самые первые мгновения после начала расширения Вселенной были случайные, очень маленькие неоднородности в распространении плотности материи в пространстве. Спустя всего 1 секунду после начала расширения плотность вещества уже достаточно велика, чтобы препятствовать свободному полету сквозь него нейтрино всех сортов. Нейтрино в этот период имеют еще

- 50 -

очень большую энергию и летят со скоростью, очень близкой к скорости света. При этом, естественно, идет выравнивание неоднородностей, создается более равномерное распределение нейтрино. Однако происходит это только в малых пространственных масштабах - в районе сравнительно малых нейтринных сгущений.

Действительно, из сравнительно мелких сгущений нейтрино успевают вылететь и перемещаться с другими нейтрино достаточно быстро, усредняя, сглаживая все неоднородности. И чем больше проходит времени, тем большие по размеру неоднородности нейтрино успевают рассосаться. Так будет продолжаться до тех пор, пока нейтрино, теряющие энергию вследствие расширения Вселенной, не станут двигаться со скоростью заметно меньшей, чем скорость света. Расчеты показывают, что примерно через 300 лет после начала расширения скорость нейтрино упадет настолько, что они уже не будут успевать вылетать из комков большого размера. И такие комки, имеющие сначала сравнительно малую плотность, могут усиливаться тяготением, сгущаться, и расти, пока среда не распадется на отдельные сжимающиеся облака из нейтрино.

Можно подсчитать, какой будет масса таких нейтринных облаков.
Поскольку, главным образом только первые 300 лет происходило выравнивание плотности, и нейтрино двигались с около световой скоростью, мы приходим к выводу, что выравнивание успело произойти в участках с размерами, не превышающих 300 световых лет. В больших масштабах, в нейтринных сгустках большего размера, повышенная плотность нейтрино сохранялась, 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 начала расширения Вселенной.

Расчет показывает, что типичная масса нейтринного облака выражается только через фундаментальные природные константы: [pic] – постоянную
Планка, G - гравитационную постоянную и m[pic] - массу покоя нейтрино.
Первые три константы известны, и если принять, что масса покоя нейтрино действительно равна 35 эВ = 6 * 10-32 г, то окажется, что масса типичного нейтринного облака составляет примерно 1015 солнечных масс.

Форма нейтринных облаков, согласно Я.Б. Зельдовичу, должна быть очень сильно сплюснутой, что по форме они должны быть похожи 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 должна возникнуть ячеистая структура невидимых нейтринных облаков. Таким образом, огромное море нейтрино, собранных в облака, в которых они движутся со скоростью порядка
1000 км/с, по-видимому, представляет собой то самое "нечто", которое раньше не учитывалось при исследовании Вселенной, и без которого невозможно было объяснить многие важные ее черты.

Как говорят астрофизики-теоретики, теперь, после того как появилась основание ввести массу покоя нейтрино, многие непонятное ранее встало на свои места.

- 52 -

8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Что происходит в нейтринной физике сейчас, в данную минуту?

Положение можно сравнить с накапливанием сил перед очередной атакой. Должно пройти несколько лет, и мы узнаем...

Составляет ли масса нейтрино десятки электроновольт или ее верхний предел опустится в область просто электроновольт. Тогда понадобятся новые идеи и новые методы для поиска массы этой массы.

Справедливы ли предположения лионской группы о существовании нейтринных осцилляций.

О новых результатах большой программы изучения солнечных и космических нейтрино.

Исследователи двойного [pic]- распада продвинуться в точности своих опытов еще на порядок и будут работать в области периодов полураспада
1023-1024 лет.

Мы получим количественные результаты о взаимодействии реакторных
[pic]е с электроном, детоном, более сложными ядрами.

Нейтрино начнет решать практические задачи.

В заключении можно привести две цитаты, разделенные семнадцатилетним периодом:

" Современнику трудно гадать, какое истинное место займет нейтрино в физике будущего. Но свойства этой частицы столь элементарны и своеобразны, что естественно думать, что природа создала нейтрино с какими- то глубокими, пока для нас не всегда ясными "целями".

М.А. Марков, 1964 г.

"...Всего за полвека из ускользающей сущности нейтрино превратилось в фундамент нашего существования... Произошла "нейтринная революция". Эта революция затрагивает самые фундаментальные основы мира, в котором мы живем. Она произвела переворот и в нашем 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 и вселенная - Наука и жизнь,
1982, #2, с.22.

-----------------------
[pic]

Страницы: 1, 2, 3, 4