Рождение и регистрация нейтрино

РЕФЕРАТ

Рождение и регистрация нейтрино

Подготовила: студентка БХ-17

КГПУ им. Циолковского

Бутанаева Анна

Преподаватель: Кожухарь А.Ю.

Калуга, 2009

Введение

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.

Первое предположение о существовании нейтрино. Вольфганг Паули - "отец" нейтрино, сделал это в письме, отправленном на конференцию физиков в Тюбингенском университете

В 1953 г. нейтрино было зарегистрировано в опытах Ф. Рейнеса и К. Коуэна и обрело все права истинной частицы.

Рождение нейтрино

Как почти все в физике ядра, так и понятие о - распаде восходит к Э. Резерфорду. В 1896 г. он изучал состав радиации, испускаемой солями урана, и установил, что, она состоит по крайней мере из излучений двух типов: легко поглощаемых тяжелых частиц - излучения и более проникающих легких частиц - -излучения. Дальнейшие опыты показали, что - частицы - это поток электронов, вылетающих непосредственно из атомных ядер.

Прошли еще годы, стало ясно, что ядра состоят из протонов и нейтронов, определился механизм - распада. Он становиться возможным тогда, когда при замене в ядре нейтрона на протон получающееся новое ядро имеет меньшую массу покоя. Избыток энергии распределяется между продуктами распада. Для другого ядра может быть энергетически выгодно превращение протона в нейтрон.

В первом случае ядро претерпевает - распад, при котором излучается отрицательно заряженный электрон е-. Заряд ядра увеличивается на единицу.

Z - (Z + 1) + е-.

Во втором случае ядро либо испытывает+- распад (излучается позитрон е+), либо захватывает один из ближайших атомных электронов. В этих процессах, как уже говорилось, протон переходит в нейтрон, а заряд ядра соответственно уменьшается на единицу.

Процесс - распада таил в себе многие загадки. На первых порах, еще до создания протонно-нейтронной модели ядра, такой загадкой стал неп- рерывный энергетический спектр испускаемых электронов.

Чем определяется кинетическая энергия Е, с которой электрон вылетает из 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 -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).

Для объяснения непрерывности - спектра высказывались самые раз- личные гипотезы, в том числе и такая радикальная, как не сохранение энергии при -распаде. Она принадлежала Н. Бору и впоследствии часто ставилась ему в упрек. Предлагалось и более простое объяснение. Для того чтобы исследовать спектр электронов, необходимо иметь источник излучения - кусочек материала с - активными атомами. Электроны, вылетающие с поверхности источника, не теряют своей энергии. Те же, что летят из глубины материала, теряют часть своей энергии на ионизацию и возбуждение атомов. В результате первоначальный линейчатый спектр размазывается, сдвигается в сторону меньших энергий, становиться непрерывным.

Казалось, можно утоньшать источник, уменьшать количество вещества в нем, но тогда уменьшалась интенсивность - излучения и технические трудности не позволяли аккуратно измерить спектр.

Для проверки последнего предложения несколько групп эксперимента- торов (К. Элис и У. Вустер и др.) поставили так называемые калориметрические опыты. Радиоактивный препарат помещался в калориметр с нас- только толстыми стенками, что -частицы полностью в них поглощались. Это позволяло измерить полную энергию, выделяемую за определенное время (в том числе и теряемую в источнике) по повышению температуры калориметра. Зная активность препарата, и, тем самым, полное число испускаемых за это время -частиц, можно рассчитать энергию, приходя- щуюся на одну частицу. Ожидалось, что она совпадает с Егр, но, многократно повторяя опыты, экспериментаторы каждый раз получали величину, равную средней (а не максимальной) энергии -спектра.

В декабре 1931 г. Вольфганг Паули на Римской конференции по физике официально высказал предположение, что, кроме электрона или позитрона, в - распаде испускается еще одна частица, обладающая очень большой проникающей способностью, нейтральная и имеющая массу намного меньшую массы нейтрона. Стеки калориметра не представляют для нее препятствия, и частица уносит с собой ту часть энергии, импульса и момента импульса, которая недосчитывалась у электрона. Когда Паули излагал эту идею, Энрико Ферми перебил его словами:

Называйте его "нейтрино"!

Дело в том, что по-итальянски уменьшительно-ласкательное окончание "ино" соответствует русскому суффиксу "чик". Так что переводе с итальянского нейтрино будет означать "нейтрончик".

Теперь уравнения - распада для нуклонов примут следующий вид:

n p + e- + , --распад, (2)

p n + e+ + , +-распад. (3)

Паули наделил новую частицу свойствами весьма неприятными для тех, кто попытался бы ее зарегистрировать. Предполагалось также, что нейтрино имеет нулевой магнитный момент и собственный момент импульса, спин, равный /2 или во всяком случае полуцелый. После того, как Паули предложил идею нейтрино, он сказал своему другу, известному астроному Вальтеру Бааде:"Я сделал сегодня что-то ужасное. Физику теоретику никогда не следует делать этого. Я предложил нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально". Бааде предложил Паули пари на бутылку шампанского. Он стал утверждать, что нейтрино будет зарегистрировано при их жизни. Оптимизм победил, шампанское было выпито вместе с экспериментаторам и которые зарегистрировали нейтрино.

Регистрация нейтрино

Какие еще требовались доказательства существования нейтрино, чтобы оно стало полноправным членом семейства элементарных частиц; таким же, как электрон, протон или - квант? Ведь казалось, что опыты, проведенные А.И. Лейпунским (1936), Дж. Алленом (1942) подтвердили, что в - распаде участвует "нечто", уносящее энергию и импульс. Хотя их результаты и согласовывались с гипотезой Паули и теорией Ферми, все это были лишь косвенные свидетельства. "Нейтрино" все еще могло оказаться просто удобной игрой слов, скрывающей за собой нарушение законов сохранения в слабом взаимодействии. Однозначное доказательство мог дать эксперимент, в котором эта частица была бы зарегистрирована вдали от точки своего рождения. Найти недостающую энергию в другом месте и означало доказать вещественность, физическую реальность частицы, переносящей ее.

Выполнить такой эксперимент представлялось необычайно трудным. Ведь теория предполагала, что у нейтрино ничего нет - нет массы, заряда, магнитного момента. Оно не может ионизировать или возбуждать атомы, а детекторы элементарных частиц чувствительны именно к электромагнитным процессам.

В 1934 г. было предложено использовать для обнаружения нейтрино (более точно антинейтрино) реакцию, при которой оно взаимодействует с водородом (с протонами) и рождает нейтрон и позитрон.

+ p n + e+,

Этот процесс обратен --распаду свободного нейтрона. Реакция эта по многим признакам была очень привлекательна.

Во-первых, она обязана была происходить, что не было заранее известно о других процессах с участием нейтрино.

Во-вторых, теория Ферми предсказывала, что в потоке нейтрино не- больших энергий, например излучаемых при -распаде ядер, вероятность этого процесса гораздо больше, чем любого другого.

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.

Для обнаружения нейтрино, а точнее антинейтрино, была использована реакция

+ p n + e+.

Схема установки представлена на рис.1. Принцип регистрации заключался в следующем. Нейтрино, летящее от реактора, попадает в мишень - пластиковый бак, наполненный двумястами литрами воды. В воде растворена соль кадмия CdCl3. При взаимодействии нейтрино с водородом (р) образуются нейтрон и позитрон. Последний практически мгновенно замедляется, аннигилирует с электроном среды, и два -кванта, каждый с энергией 0,5 МэВ, разлетаются в противоположные стороны. Мишень была сделана достаточно тонкой, чтобы вылетавшие из нее кванты попадали в баки с жидким сцинтиллятором, установленные по обе стороны от мишени.

Схема опыта Рейнеса и Коуэна.

А - точка поглощения нейтрино и появления позитрона и нейтрона. В- точка аннигиляции позитрона, С - точка захвата нейтрона атомом кадмия.

Каждый бак содержит 1400 л жидкости. Его внутренняя поверхность покрыта отражающим материалом, чтобы как можно больше света от сцинтилляции собиралось на фотокатоды 110 фотоумножителей, который "просматривают" бак. Для выравнивания светового потока, ФЭУ отделены от сцинтиллятора светопроводами, материалом для которых служит чистый растворитель (без сцинтилляционных добавок).

Первое известие о регистрации нейтрино подают одновременно заре- гистрированные в детекторах анигиляционные -кванты с определенной энергией. Несмотря на то, что детектор был защищен свинцом и бетоном, число фоновых импульсов, имитирующих появление позитрона в мишени, все еще в десятки раз превышало ожидаемый эффект.

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 - распады, при которых возникает антинейтринное излучение. Оно проникает сквозь толщу пород и несет интересную информацию о содержании недр нашей планеты. Увы, регистрация земных и e на сегодняшний день - технически невыполнимая задача. Даже оптимистические оценки величины 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, много ниже порога большинства обратных реакций. Если воспользоваться для их регистрации таким классическим процессом, как и e + p n + e+, то понадобиться 1000 т жидкого осциллятора, чтобы земные антинейтрино вызывали хотя бы одно событие в сутки (опять-таки при оптимистических оценках). Выделить это событие из фоновых излучений пока не представляется возможным.

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 - 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

земной шар. При этом надо регистрировать мюоны, идущие не к Земле, а из ее глубины (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.

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 значениякрит, 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 крит, тогда тяготения материи недостаточно для того, чтобы остановить расширение, и Вселенная будет расширяться вечно.

Критическая плотность, по современным оценкам, равна крит ~ 10-29 г/см3. Еще недавно считалось, что основную долю плотности во Вселенной составляет обычное вещество, для которого крит ~ 10-31 г/см3. Это означало, что вещ-ва < крит и Вселенная должна расширяться вечно. Теперь же есть веские основания считать, что плотность только реликтовых электронных нейтрино примерно равна критической ~ 10-29 г/см3 ~ 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.

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.