Физика нейтрино

первым нейтринным экспериментом поставленным на ускорителях высоких

энергий. Осуществить его предлагали несколько ученых - Б.М. Понтекорво,

М.А. Марков, М. Шварц. Выполнен этот эксперимент был впервые на Брукхей-

венском ускорителе (США) и через год в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных

исследований).

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

[pic]е. Чуть позже эксперименты, поставленные на ускорителях, позволили

доказать

- 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]-лептона было введено еще одно нейтрино [pic]-нейтрино. Рождается

[pic]-нейтрино в распадах [pic]- 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.

Класс лептонов (от греческого "мелкий, легкий") включает также электрон,

позитрон и мюоны обоих знаков. Заряженные лептоны участвуют в

электромагнитном и слабом взаимодействиях, нейтрино - только в слабом.

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]

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

[pic]- [pic]+

le, 1 -1 1 -1 0 0 0

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

0 0 1 -1 1 -1

Для фотонов и адронов значения всех лептонных зарядов равны

0.Считается, что во всех процессах сохраняется неизменной сумма

лептонных зарядов. Например:

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

- 1958 гг., но идея была встречена без особого энтузиазма. Со временем

положение изменилось с открытием массы нейтрино и парадоксом солнечных

нейтрино, который будет рассмотрен ниже. Различные эксперименты,

проведенные для подтверждения или опровержения этого факта, дают пока

противоречивые результаты, от существования осцилляций (группа физиков

работавших во Франции, в Буже), до их отсутствия (группа Р. Мессбауэра).

Ответ на этот вопрос - дело ближайшего будущего.

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

Ш.Л. Глэшоу - были удостоены Нобелевской премии за создание единой

теории электромагнитных и слабых взаимодействий.

- 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.

Интерес к нему то почти совсем затухал, то вспыхивал с новой силой.

Сейчас мы проходим через очередной максимум. Около десяти групп в

различных странах мира заняты поисками двойного [pic] - распада.

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-

2). Он происходит непосредственно между этими ядрами, если энергия

промежуточного ядра А (Z+1, N-1) выше, чем у A (Z, N) (рис 4).

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

(Z+2, N-2). А в первом случае электроны обладают непрерывным спектром

энергий, поскольку излучаются еще и два антинейтрино.

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]

-распад сильно заторможен по сравнению со случаем тождества электронных

нейтрино и антинейтрино, и вероятность его может стать равной или меньшей,

чем вероятность двухнейтринного процесса (который идет всегда, когда это

энергетически возможно).

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.

Такому требованию удовлетворяют инертные газы, поэтому в геологических

экспериментах исследовались переходы 128Te [pic] 128Xe, 130Te [pic]

130Xe, 82Se [pic] 82Kr.

Расскажем об одном из опытов, которые провела группа Т. Кирстена

(США). Они взяли образцы теллуровой руды из глубинной шахты в Колорадо,

чтобы иметь дело с веществом, подвергшимся как можно меньшему

воздействию космических лучей. Затем несколькими методами определило и

возраст образца.

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

130Xe, и пришли к выводу, что, единственным разумным объяснением его

избытка, остается 2[pic]-распад. Проанализировав возможные потери газа

за период существования образца, они определили период полураспада

теллура-130: Т1/2 130Te = (2,60[pic]0,28)*1021 лет. Другие

исследовательские группы дали близкие цифры.

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.

Прямые опыты проводились с самыми различными типами детекторов: камерой

Вильсона, фотоэмульсиями, искровой камерой, сцинтилляционными и

полупроводниковыми счетчиками.

Наиболее интересными являются работы миланской группы (группы

Фиорини), в Международной лаборатории космических лучей, проведенные с

использованием полупроводникового счетчика для исследования перехода 76Ge

[pic] 76Se. (Рис. 5).

Основной частью полупроводникового счетчика является p - n переход.

Свободных электронов здесь мало и в отсутствие ионизирующего излучения

течет только малый тепловой ток. Тем меньший, чем больше сопротивление

полупроводника, которое зависит от чистоты материала и от температуры

кристалла. При прохождении заряженной частицы, она ионизирует атомы и в p -

n - переходе появляются свободные заряды. Поле "растягивает" их в

разные стороны, и возникающий при этом электрический сигнал может быть

зарегистрирован. Самым привлекательным свойством полупроводниковых

счетчиков является возможность очень точно определять энергию, потерянную

частицей в области p - n перехода, т.е. хорошее энергетическое разрешение.

Основной недостаток таких детекторов - малое количество вещества в

чувствительном объеме.

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

- их источником. Дело в том, что в природном германии содержится около

7,5 % германия с атомным весом 76. Он может переходить в селен-76 с

излучением двух электронов (в случае безнейтринного распада их суммарная

энергия равна 2МэВ).

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

МэВ при общем времени наблюдения в 187 суток, никаких пиков

не наблюдалось. Это дало возможность

- 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

[pic]е и [pic]e только в их поляризации. Тогда существование малой массы

нейтрино могло бы внести деполяризацию и обусловить малую, но не нулевую

вероятность безнейтринного [pic] - распада. Какой минимальной массе

соответствует Т1/2 < 5*1021 лет? Теоретики оценивают ее весьма

приближенно, как ~10 эВ. Это значение находиться как раз в наиболее

"горячей" области (результаты группы ИТЭФ дают значения 14 - 26 эВ).

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.

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 [pic]e + p [pic] 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

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5