ТИПЫ НЕЙТРИНО

 4. ТИПЫ НЕЙТРИНО.

 Число реакций, идущих с участием нейтрино, значительно расширилось после того, как началось изучение распадов космических частиц и частиц, рождающихся в опытах на ускорителях высоких энергий.

Рис. 3. Следы процесса ⁺⁺ e⁺ в фотоэмульсии.

 Обратимся для примера к рис.3, где приведена микрофотография рас- пада ⁺⁺ e⁺, зарегистрированного в специальной эмульсии.

В точке 1, ⁺-мезон останавливается и распадается. Отрезок между точками 1 и 2 - это след родившегося мюона. Длина его следа на фотографиях всегда одинакова, из чего можно сделать вывод, что энергия мюонов, образующихся при распадах - мезонов, постоянна. Закон сохранения импульса требует, чтобы в сторону, противоположную движению, вылетало "что-то", что компенсирует его импульс а постоянство энергии мюонов и отсутствие следов в эмульсии говорят, что это всего одна нейтральная частица.

Поскольку спин ⁺- мезона равен нулю, мюона - /2, то согласно закону сохранения момента импульса спин вылетающей частицы должен быть полуцелым. Дальнейшие исследования показали, что распад ⁺ - мезонов выглядит так:   + ().

- 28 -

Теперь обратимся к точке 2. Здесь мюон останавливается и распадается. При этом вылетает позитрон, который может иметь разную энергию - от фотографии к фотографии длина его следа меняется. Из этого следует вывод о присутствии в распаде нескольких нейтральных частиц. Окончательно-   е +  + .

Можно привести примеры и других распадов, идущих с участием нейт- рино: К   + (), K^0 - + е⁺ +  и т. п.

Вместе с тем было обращено внимание на то, что часть процессов, ко- торые, казалось бы, не нарушали никаких законов сохранения, не наблю- дались. Так, для  - мезона энергетически возможно несколько схем распада:

⁺ е⁺ +  +  , (7)

⁺ е⁺ +, (8)

 ⁺ е⁺  + е⁺  + е^- (9)

Осуществлялась же только одна - первая. Теория не находила удав- летворительного объяснения этому факту. Ведь процесс (8) можно предс- тавить себе как некое продолжение процесса (7). При этом  и  исчезают - аннигилирую в момент своего рождения, как частица и античастица, а вылетающий позитрон излучает - квант. Расчетная вероятность W-распада ⁺  е⁺ +  по отношению к распаду ⁺ е⁺ +  +  составляет 10^-3  - 10^-4, но запретов на его существование нет.

Тем не менее, поиски процесса (8) не привели к положительным ре- зультатам. Со временем ограничение на вероятность все уменьшались: меньше 10^-4, меньше 10^-5, 10^-7, 10^-10 (1979 г.). Природа препятствовала мюонну распадаться на электрон и - квант, запрещала аннигилировать  и . Попытки объяснить запрет реакций (8) и (9) привели к идее о существовании двух типов нейтрино. Одно сопутствует электрону - электронное нейтрино _е, другое - мюону, мюонное нейтрино . В распаде нейтрона и -мезона возникают разные нейтрино

n  p + e^- +_е,

- 29 -

^- - + ,

а реакцию распада-мезона следует писать в виде:

⁺ е⁺  +  + _е .

Гипотеза должна была быть проверена экспериментом.

Опыт по изучению различия (или единства)  и _е был 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  - 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 (-, К-, -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,  и _е , то ускоритель - практический чистый источник .

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  и _е. Чуть позже эксперименты, поставленные на ускорителях, позволили доказать

- 30 -

различие и нейтрино, сопровождающих ⁺ и ^- -мезоны, то есть различие мюонных антинейтрино и нейтрино.

В 1975 году в связи с открытием третьего заряженного лептона - -лептона было введено еще одно нейтрино -нейтрино. Рождается -нейтрино в распадах - лептона:

^- + ^- ,

^- +  + е^- ,

а также в распадах мезонов, более тяжелых, чем -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:

 +  n  ^-  + p,

 + p  ⁺  + 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 l_e, мюон- ным l и таонным l.

- 31 -

_{е  e}  е^- e^{+   +-    -+}

l_e,  1 -1  1 -1  0 0  0  0  0 0  0 0

l 0  0 0 0 1  -1 1  -1 0 0 0 0

l 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  p + e^- +_е,  (l_e, = 0 - 0 + 1 - 1).

Процессы распада мюона на позитрон и - 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 _е на , 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  - РАСПАД.

Еще одним интереснейшим процессом, связанным с нейтрино, является двойной  - распад. Существование двойного  - 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  - распада.

При обычном  - 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  - распад. При нем переход выглядит следующим образом: A (Z,N)  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 - 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  p + e^- + _e

n  p + е^-  + _e двухнейтринный

двойной  - распад

2n 2p + 2e^- +2_e

А (Z,N)  A (Z+2, N-2) + 2e^- + 2_e

Если же предположить, что _e тождественно  _е , то этот процесс может идти независимо. Нейтрино, испускаемое при распаде одного нейтрона, индуцирует распад второго:

n  p + e^- + _e

n + _е p + е^-   Безнейтринный двойной

- распад

2n  2p + 2e^-  

A (Z, N)  A (Z+2, N-2) + 2e^-

Очевидно, что в безнейтринном двойном  - 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 - 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 _е  и _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 -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 Т_1/2< 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-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  ¹²⁸Xe, ¹³⁰Te  ¹³⁰Xe, ⁸²Se 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-распад. Проанализировав возможные потери газа за период существования образца, они определили период полураспада теллура-130: Т_1/2¹³⁰Te = (2,600,28)*10²¹ лет. Другие исследовательские группы дали близкие цифры.

Существование двойного - 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 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 - 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 _е  и _e только в их поляризации. Тогда существование малой массы нейтрино могло бы внести деполяризацию и обусловить малую, но не нулевую вероятность безнейтринного  - распада. Какой минимальной массе соответствует Т_1/2 < 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  - распада продолжаются.

- 39 -