Физика нейтрино

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.

Органические сцинтилляторы содержат значительно меньше радиоактив- ных загрязнений, чем неорганические кристаллы. Чаще всего их фон связан с внешней радиацией.

Третий вид фона связан с самим источником нейтрино. При делении осколков урана в активной зоне реактора излучают самые разные частицы. Из них сквозь биологическую защиту проникают быстрые [pic]-кванты и нейтроны.
Если считать, что в защищенных помещениях реактора число быстрых нейтронов в сто раз меньше предельно допустимой для персонала нормы, то вероятность их регистрации в детекторе с органическим сцинтиллятором все еще в миллион раз больше, чем для нейтрино. Это преимущество должно быть скомпенсировано дополнительной защитой. Ведь фон, связанный с работой реактора, - один из самых 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 зафиксировать нейтрино вдали от места его рождения удалось американским физикам Рейнесу и Коуэну в 1953 году.

Для обнаружения нейтрино, а точнее антинейтрино, была использована реакция [pic] + p [pic] n + e+.

Схема установки представлена на рис.1. Принцип регистрации заклю- чался 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 замед-

- 15 -

ляется, аннигилирует с электроном среды, и два [pic]-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.

Рис. 1. 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 [pic]-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.

- 16 -

Поэтому пришлось прибегнуть к "услугам" нейтрона. Он быстро замед- ляется в воде - за несколько миллионных долей секунды и захватывается ядром кадмия. Кадмий потому и был введен в состав мишени, что с очень большой вероятностью захватывает медленные нейтроны и в результате этого процесс излучает несколько энергичных [pic]- квантов. Последние, также попадают в сцинтилляционные детекторы и регистрируются.

Теперь нейтринное событие может быть отделено от фона по следующим признакам:

1. В детекторах одновременно возникают импульсы, соответствующие по энергии анигилиционным квантам.

2. Через определенное время в детекторах, тоже одновременно, появ- ляются импульсы, величина которых лежит в заданном диапазоне. 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 эксперименте использовались две водные мишени и между ними три сцинтилляционных детектора. Общая масса установки кроме внешней свинцовой защиты, превышала 10 т, а счет полезных событий составлял всего лишь 1,7 штуки за час, т.е. 40 штук в сутки! Вместе с тем полное число реакций (4) в 400 литрах воды должно было составить около 2000. Такое уменьшение эффекта произошло потому, что в борьбе с фоном пришлось ввести слишком много критериев отбора полезных событий, и, тем самым, снизить эффективность регистрации нейтрино.

Эффективность регистрации нейтрино рассчитывалась и проверялась в контрольных экспериментах. Опытов было проведено очень много. Напри- мер, для определения наиболее опасной компоненты фона - фона от реактора, между активной зоной и установкой помещались массивная дополнительная защита. Потоки всех частиц, кроме нейтрино, ослабляются этой защитой. И если наблюдаемые события все-таки каким-либо образом имитируются ими, то число таких событий уменьшается. Однако величина эффекта осталась на уровне 40 событий в сутки. Эксперимент, вместе с контрольными опытами, длился 2085 часов, т.е. около трех месяцев чистого времени.

Точность опыта была не велика, однако позволила утверждать, что вероятность взаимодействия нейтрино с протоном находиться в согласии с результатами теории Ферми.

В течение 1959-1968 гг. группа физиков во главе с Райнесом уточняла экспериментальные результаты исследования реакции (4). Одновременно с

- 17 -

этим, была начата подготовка к другим опытам с реакторными нейтрино: поиска процесса рассеяния нейтрино на электроне ((e[pic])(e[pic]’) - взаимодействие) и изучения взаимодействия [pic] с ядром атома тяжелого водорода - дейтоном. В первом случае был создан уникальный по чувствительности сцинтилляционный детектор.

После обнаружения нейтрино все сильнее и сильнее в нейтринной фи- зике стала звучать новая тема - возможность рассеяния нейтрино на электроне.

В опубликованной в 1964 году книге академика М.А. Маркова читаем:

"Хотя подобный анализ возможностей, открываемых существованием
((e[pic])(e[pic]’))-взаимодействия, очень напоминает дележ шкуры неубитого медведя, все же обсуждение различных порождаемых взаимодействием эф- фектов эвристически очень ценно.

... Хотим мы этого или не хотим, но тенденции в развитии физики слабых взаимодействий привели к тому, что детектирование пока выдуманного
((e[pic])(e[pic]’))-взаимодействия становится проблемой фундаментальной важности".

Реакция эта выглядит так:

[pic] + е- [pic] [pic]’ + e-, (5)

т.е. ожидается, что налетающее нейтрино рассеивается на электроне, теряя часть своей энергии ([pic]’- означает нейтрино с меньшей энергией, чем
[pic]). Если процесс обратного[pic]- распада (эксперимент Рейнеса и
Коуэна) вытекает из самых общих физических принципов, то о существовании рассеяния нейтрино на электроне заранее известно гораздо меньше. Конечно, очень заманчиво, чтобы по аналогии с электродинамикой слабые силы приводили к своеобразному эффекту Комптона, в котором роль [pic]-кванта играло бы рассеивающееся нейтрино. Тогда открывалась возможность для массы интереснейших процессов (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 четырнадцать после опубликования идеи
Рейнесом. Все эти годы шло создание и усовершенствование детектора, накопление экспериментальных результатов.

- 18 -

Вероятность ((e[pic])(e[pic]’))-рассеяния для реакторных нейтрино в десятки раз меньше, чем вероятность процесса [pic] + р [pic] e+ + n.
Продуктом реакции является электрон отдачи и это не позволяет использовать такую сложную систему отбора полезных событий и подавления фона, как это делалось в опыте Рейнеса и Кроуэна.

Если рассмотреть хорошо защищенный столитровый сцинтилляционный детектор, расположенный в потоке нейтрино 1013 [pic]/см2*с, то число 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, что лучше всего использовать для регистрации органический сцинтиллятор, который будет одновременно служить и детектором, и мишенью. Тогда фон будет обусловлен [pic]-лучами из окружающей среды, а не внутренними загрязнениями. Разделение эффекта и фона может быть основано на различии между сигналом от [pic]-квантов и сигналом от электронов отдачи, созданных антинейтрино.

Рис. 2. Схема установки для обнаружения рассеяния нейтрино на электроне

- 19 -

Точнее на различии их пробегов в веществе. Схема центральной части установки, собственно сам детектор нейтрино, изображен на рис.2.

Пластический сцинтиллятор разделен на светоизолированные секции.
Свет от каждой их них через светопровод из иодистого натрия 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, с большой вероятностью целиком укладывается в пластическом сцинтилляторе.

Когда в установку попадает [pic]- квант, то он, скорее всего, регистрируется в активной защите из иодистого натрия, который со всех сторон 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 ее от импульса, вызванного нейтрино? Тогда используется тот факт, что световые импульсы от NaI и от пластического сцинтиллятора по характеру своего спада и нарастания во времени различны. Специальная электронная схема разделяет их и считает первый как фон.

Наконец, если [pic]-квант проивзоимодействовал в самом пластике, то с большой вероятностью это произойдет путем комптон - эффекта. Тогда рас- сеяный квант еще раз зарегистрируется в детекторе. А любые двойные события считаются связанными с 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 раз уменьшить фон и обнаружить эффект.

При включенном реакторе счет одиночных событий составил 47 собы- тий/сутки, при выключенном - 40. Разность между ними 7 событий/сутки - нейтринные события. Можно было считать доказанным существование этого процесса. Наблюдение рассеяния нейтрино на электроне - одно из самых высших достижений сцинтилляционной техники и техники регистрации малых активностей.

- 20 -

3. НЕЙТРИНО И АНТИНЕЙТРИНО.

В 1928 г. Поль Дирак вывел свое знаменитое уравнение. Оно не только описывало поведение элементарных частиц со спином [pic]/2 (фермионов), но и предсказывало, что у каждой такой частицы есть своя античастица.

Последняя должна иметь туже массу и спин, что и частица, 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 в 1932 г. Затем, более чем через 20 лет, были открыты антипротон и антинейтрон. Дальнейшее продвижение в антимир шло более быстрыми темпами.

Нейтрино оказалось некоей двойственной частицей. С одной стороны, оно относится к семейству фермионов и должно описываться уравнением
Дирака. С другой стороны, отсутствие заряда и магнитного момента делает непонятным отличие частицы от античастицы.

Теорию, описывающую электрически нейтральные фермионы как истинно нейтральные, не имеющие античастиц, создал в 1937 году итальянский физик Э.
Майорана. Вопрос же разные ли частицы излучаются при [pic]+- распаде
(электронном захвате) ядра p [pic] n + e+ + [pic] (нейтрино) и при [pic]-- распаде n [pic] p + e- + [pic] (антинейтрино) или идентично [pic]- [pic], предстояло решить экспериментаторам.

Метод исследования был найден Бруно Максимовичем Понтекорво. Как уже упоминалось, еще в 1946 г. он размышлял над возможностью регист- рации нейтрино от ядерного реактора.

" В то время сцинтилляторы, которые много лет спустя были так успешно использованы Рейнесом и Коуэном для детектирования реакторных антинейтрино, еще не были созданы, и мне пришло в голову, что проблема может быть решена радиохимическими методами, т.е. путем химической концентрации изотопа, образующегося при обратном [pic]- процессе из очень большой массы вещества, облучаемого нейтрино. При внимательном осмотре знаменитой таблицы искусственных изотопов Сиборга нашлось несколько возможных кандидатов на мишень, среди которых наиболее подходящими оказались соединения хлора. Соответствующая реакция выглядит следующим образом:

нейтрино + 37Cl [pic] 37Ar + e-,

(5)

- 21 -

где 37Ar распадается путем электронного захвата.…

Я написал здесь "нейтрино", а не [pic], потому, что вопрос о том, отличается ли [pic] от [pic], был еще не ясен".

Позднее именно процесс (5) был использован для доказательства отличия [pic] от [pic].

Реакция прямого процесса - электронного захвата имеет вид:

37Ar + e- [pic] 37Cl + [pic],

(p + e- [pic] n +
[pic]). (6)

Аргон-37 распадается со временем жизни около 30 дней, превращаясь в хлор-37 и излучая нейтрино.

Обратная реакция (5) представляет собой превращение нейтрона в ядре хлора-37 в протон опять-таки под действием нейтрино [pic] + n [pic] p + e-.
А в ядерном реакторе при распаде осколков генерируются антинейтрино - частицы, сопутствующие электрону n [pic] p + e- + [pic]. Поэтому процесс
(5) может идти с полной вероятностью только в случае тождественности нейтрино и антинейтрино.

Эксперименты были поставлены группой американских физиков под ру- ководством Р. Дэвиса. Они проводились сначала на Брукхейвенском реакторе
(1955 г.), затем на реакторе в Саванна-Ривер (1956-1959 гг.).

Схема опыта состояла в следующем. Бак, содержащий несколько кубо- метров перхлорэтилена (C2Cl4), помещался под землей недалеко от рабо- тающего реактора. В него предварительно вводился 1 см3 обычного аргона. Газ этот в дальнейшем мог служить носителем, образующихся радиоактивных атомов
37Ar.

Один, иногда два месяца жидкость выдерживалась под нейтринным об- лучением для накопления аргона-37, а затем начиналась процедура его извлечения. В течение нескольких часов через объем бака пропускался гелий. Он в виде мелких пузырьков проходил через жидкость и "вымывал" из нее атомы аргона. Затем гелий поступал в ловушки, заполненные ак- тивированным углем и охлажденные до температуры жидкого воздуха. Аргон конденсировался и захватывался на поверхности угля, а гелий свободно проходил через ловушку. После нескольких циклов такого процесса ловушка отделялась от системы, соединялась с детектором и нагревалась. Уголь выделял захваченный аргон, и последний поступал в счетчик.

- 22 -

Зарегистрированная в этих экспериментах активность была почти в 10 раз меньше, чем ожидалось в случае, если бы нейтрино и антинейтрино были одинаковы. Она объяснялась фоновыми процессами, главным источником которых были быстрые космические частицы, попадающие в мишень и образующие аргон-
37. Таким образом, процесс (5) не осуществляется, и, следовательно, нейтрино и антинейтрино - разные частицы.

Опыты Дэвиса еще продолжались, когда в физике слабых взаимодейс- твий произошло крупнейшее событие - было открыто несохранение 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 и времени.

Уравнения движения тел не меняются, если перенести начало отсчета времени. Результаты опыта останутся теми же, т.е. время обладает оп- ределенной симметрией - оно однородно. Ни один его промежуток ничем не выделен по отношению к другим. Из этого, по теореме Нетер, следует закон сохранения энергии. Перенос начала координат в пространстве не меняет физических результатов. Из однородности пространства вытекает закон сохранения импульса.

Кроме того, пустое пространство изотропно. Это означает, что в нем нет выделенных направлений, все направления равноправны. Поворот ко- ординат на любой угол не повлияет на результат опыта. Из изотропности пространства следует закон сохранения момента импульса. Можно провести еще одно преобразование - сразу изменить направление всех координатных осей на противоположное. Это эквивалентно тому, что мы отражаем происходящий процесс в зеркале.

Существовала уверенность, что такое отражение тоже ничего не изменит.

То есть физическое явление или результаты эксперимента останутся прежними. Конкретная величина при таком преобразовании может, и изменит знак. Любой вектор - скорость, импульс, сила, напряженность электрического поля и т.п. - меняет знак при отражении на противоположный.
Существуют и псевдовекторы - момент импульса (в частности, спин), магнитная индукция и т.п. Псевдовекторы знака не меняют, поскольку их направление связано с направлением вращения (массы, электрического заряда) по или против часовой стрелки. А при отражении в зеркале направление вращения не изменяется. Векторы и псевдовекторы входят в

- 23 -

формулы, описывающие какие-либо процессы, таким образом, что при "переходе в зеркальный мир" результаты этих процессов не меняются.

Пока речь шла об электромагнитном и сильном взаимодействиях, все это строго выполнялось. Никакие опыты не помогли бы отличить "наш" мир от "зеркального", правое направление от левого.

В квантовой механике ( а именно для нее важно такое
"скачкообразное" преобразование пространства, как отражение) появляется новый закон сохранения. Он носит название закона сохранения пространственной четности и является следствием зеркальной симметрии пространства (Е. Вигнер, 1927 г.).

Все было ясно вплоть до 1956 г. когда необычное поведение К - мезонов заставило усомниться в том, что для слабого взаимодействия закон сохранения пространственной четности выполняется столь же строго, как для электромагнитного и ядерного. Эти "сомнения" были опубликованы двумя американскими физиками, китайцами по национальности, Ли Тзун-дао и
Янг Чжень-инем, "устное" же сомнение впервые было высказано Р. Фейманом на
Рочестерской конференции 1956 г. В своей статье они предложили возможные схемы опытов, для проверки этой гипотезы, и сразу же такая проверка начала осуществляться несколькими группами экспериментаторов.

Первой добилась группа, работающая под руководством Ву Цзянь-сюн из Колумбийского университета (США).

Страницы: 1, 2, 3, 4