Физика нейтрино

РЕФЕРАТ

ТЕМА: «ФИЗИКА НЕЙТРИНО»

1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

1. Рождение нейтрино 5

2.   Регистрация нейтрино 9

3.   Нейтрино и антинейтрино 20

4. Типы нейтрино 27

5.   Двойной  - распад 33

6.   Земные и космические нейтрино  39

7.   Нейтрино и астрофизика 48

8.   Заключение 52

Литература  53

- 3 - ВВЕДЕНИЕ

- Последним элементом конструкции наших тел являются атомы.

- Полагаю, что существа F построены из частиц, меньших,

чем обычные атомы. Гораздо меньших.

- Из мезонов? - подсказал Сарториус. Он вовсе не удивился.

- Нет, не из мезонов... Пожалуй, скорее, нейтрино.

 

С. Лем "Солярис".

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.

Интересно, как было высказано первое предположение о существовании нейтрино. Вольфганг Паули - "отец" нейтрино, сделал это в письме, отправленном на конференцию физиков в Тюбингенском университете. На начиналось, и заканчивалось оно шутливо: "Дорогие радиоактивные дамы и господа! Я прошу Вас выслушать со вниманием в наиболее удобный момент посланца, доставившего данное письмо. Он расскажет Вам, что я нашел отличное средство для спасения закона сохранения энергии и получения правильной статистики... Оно заключается в возможности существования электрически нейтральных частиц, которые я назову нейтронами (частица, за которой в последствии закрепилась это название, была открыта через два года)... Непрерывность бета-спектра станет понятной, если предположить, что при бета-распаде с каждым электроном испускается такой нейтрон, причем сумма энергии нейтрона и электрона постоянна...

Итак, дорогой радиоактивный народ, рассматривайте и судите. К со- жалению, я не могу появиться в Тюбингене лично, так как мое присутствие

- 4 -

здесь необходимо из-за бала, который состоится в Цюрихе в ночь с 6 на 7 декабря.

Ваш покорный слуга В. Паули".

Однако нужно было убедиться, что гипотеза о нейтрино не является по- пыткой прикрыть новым термином нарушение закона сохранения энергии в микромире.

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

Шло время, и место, отводимое этой частице ( точнее типу частиц) в общей картине как микро-, так и макромира, становилось все значительнее.

Что касается микромира, то за эти годы представления физиков об элементарности частиц претерпели значительные изменения. Большинство из них (несколько сот), в том числе протоны и нейтроны, рассматриваются сейчас как составные, состоящие из кварков. Нейтрино же остается фундаментальным кирпичиком материи, и тем важнее изучение его свойств.

Значительную роль оно играет и в макромасштабе, например, в эволюции звезд.

Таковы оказались "последствия" шуточного письма великого физика.

- 5 -

1. 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^-. (1)

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 (m_е c²) и энергией отдачи ядра. Последняя столь мала, что ее можно не принимать во внимание. Тогда Е = Е₁ - (Е₂ +m_ec²), 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 +m_ec²).

- 6 -

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 калоримет-рические 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 Е_гр, 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"!

- 7 -

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.

Поначалу сообщение об открытии новой частицы далеко не у всех выз- вало энтузиазм. Гипотеза о существовании нейтрино казалась слишком радикальной. Поэтому даже далекий от консерватизма Нильс Бор предпочитал отмалчиваться. По этому поводу можно привести отрывок из воспоминаний Х. Казимира : "Однажды пришло письмо от Паули, и Бор, не решаясь что-либо высказать по поводу изложенных в нем мыслей, попросил свою жену написать Паули, что "Нильс ответит в понедельник". Спустя три- четыре недели пришло новое письмо от Паули, на этот раз адресованное госпоже Бор. "С вашей стороны было очень умно, - писал Паули, что Вы не сообщили, в какой именно понедельник Бор собирается ответить. Однако он ни в коей мере не должен чувствовать себя обязанным , ответить именно в понедельник. Письмо, посланное в любой другой день, доставило бы мне не меньшее удовольствие". Насколько мне известно, в своем письме, на которое Бор медлил отвечать, Паули высказывал мысль о спасении закона сохранения энергии при - распаде путем введения нейтрино".

В конце того же 1933 г., в итальянском журнале "Riecera Scientifica" появилась статья Энрико Ферми "Попытка построения теории испускания -лучей". Это была количественная теория - распада, исходившая из того, что

- 8 -

он обуславливается новым видом сил, которые позднее стали называться слабыми силами.

Теория -распада Ферми строилась по аналогии с квантовой электро- динамикой, которая к тому времени была достаточно разработана. Механизм распада описывался следующим образом: под действием слабых сил один из

нуклонов ядра переходит в состояние, характеризующееся другим зарядом, например, нейтрон превращается в протон. При этом рождаются электрон и нейтрино. Точно также, как атом, переходя из возбужденного состояния в основное, рождает электромагнитные кванты, которых раньше в атоме не было.

Для описания слабого взаимодействия Ферми ввел константу G, которая играет роль, аналогичную роли заряда e для электромагнитных сил. Теория Ферми позволяет рассчитать форму -спектров, связать граничную энергию распада со временем жизни радиоактивного ядра. На ее основании можно было предсказать вероятность взаимодействия нейтрино с веществом. Вероятность эта оказалась еще на много порядков меньше, чем предполагал Паули. Так для поглощения нейтрино с энергией ~ 1МэВ (типичной для распада ядер) потребовался бы слой воды толщиной в сотни миллионов раз превышающий расстояние от Земли до Солнца. Теория предсказывала увеличение вероятности взаимодействия с ростом энергии нейтрино.

Аналогия слабого и электромагнитного взаимодействия была гениально угадана Ферми, и получила полное подтверждение в наши дни. Этой теории, созданной на базе весьма немногих экспериментальных данных, в дальнейшем была уготована нелегкая судьба. Уж слишком она казалась простой и не полной. Периодически, основываясь на результатах опытов, теорию дополняли и усложняли. А затем более тщательные эксперименты опровергали предыдущие, и все снова возвращалось к первоначальному варианту.

"...Наши знания с тех пор возросли в огромной степени; однако все ( или почти все) новые факты удивительным образом укладываются в картину, нарисованную Ферми", - пишет Бруно Максимович Понтекорво, ученик Энрико Ферми.

- 9 -