История открытия нейтрино

Гипотеза Паули. Открытие Нейтрино принадлежит к числу наиболее ярких и вместе с тем трудных страниц в физике 20 в. Прежде чем стать равноправным членом семьи элементарных частиц, Нейтрино долгое время оставалось гипотетической частицей.

  Впервые в экспериментальной физике Нейтрино проявилось в 1914, когда английский физик Дж. Чедвик обнаружил, что электроны, испускаемые при b-распаде атомных ядер (в отличие от a-частиц и g-квантов, испускаемых при др. видах радиоактивных превращений), имеют непрерывный энергетический спектр. Это явление находилось в явном противоречии с теорией квантов, требовавшей, чтобы при квантовых переходах между стационарными состояниями ядер выделялась дискретная порция энергии (постулат Бора). Поскольку при испускании a-частиц и g-квантов это требование выполнялось, возникло подозрение, что при b-распаде нарушается закон сохранения энергии.

  В 1930 швейцарский физик В. Паули в письме участникам семинара в Тюбингене сообщил о своей «отчаянной попытке» «спасти» закон сохранения энергии. Паули высказал гипотезу о существовании новой электрически нейтральной сильно проникающей частицы со спином ¹/₂ и с массой £ 0,01 массы протона, которая испускается при b-распаде вместе с электроном, что и приводит к нарушению однородности спектра b-электронов за счёт распределения дискретной порции энергии (соответствующей переходу ядра из одного состояния в другое) между обеими частицами. После открытия в 1932 тяжёлой нейтральной частицы — нейтрона, итальянский физик Э. Ферми предложил называть частицу Паули «нейтрино». В 1933 Паули сформулировал основные свойства Нейтрино в их современном виде. Как выяснилось позже, эта гипотеза «спасла» не только закон сохранения энергии, но и законы сохранения импульса и момента количества движения, а также основные принципы статистики частиц в квантовой механике.

Теория b-распада Ферми. Гипотеза Паули естественным образом вошла в теорию b-распада, созданную Ферми в 1934 и позволившую описать явления электронного (b^-) и позитронного (b⁺) распадов и К-захвата. Появилась теоретическая возможность ввести два разных Нейтрино: антинейтрино, рождающееся в паре с электроном, и Нейтрино, рождающееся в паре с позитроном.

  В теории Ферми b^- (b⁺)-распад есть превращение нейтрона n (протона р) внутри ядра в протон (нейтрон):

С помощью теории Ферми была рассчитана форма спектра b-электронов, оказавшаяся вблизи верхней границы энергии b-электронов очень чувствительной к массе m_n Нейтрино Сравнение теоретической формы спектра с экспериментальной показало, что масса Нейтрино много меньше массы электрона (и, возможно, равна нулю). Теория Ферми объяснила все основные черты b-распада, и её успех привёл физиков к признанию Нейтрино Однако сомнения в существовании этой частицы ещё оставались.

Эксперименты по обнаружению нейтрино. Известны две возможности экспериментального обнаружения Нейтрино Первая — наблюдение обратного b-распада — впервые рассмотрена Х. Бете и Р. Пайерлсом в 1934. Обратным b-распадом называются реакции (существование которых следует из теории Ферми):

происходящие как на свободных, так и на связанных в ядрах нуклонах. Оценка вероятности (сечения) поглощения Нейтрино дала поразительный результат: в твёрдом веществе Нейтрино с энергией, характерной для b-распада, должно пройти расстояние порядка сотен световых лет, прежде чем будет захвачено ядром. В 30—40-х гг. обнаружить такую частицу казалось вообще невозможным.

  Другой путь — наблюдение отдачи ядра в момент испускания Нейтрино — впервые рассмотрен советским физиком А. И. Лейпунским. В 1938 А. И. Алиханов и А. И. Алиханьян предложили использовать для этой цели реакцию К-захвата в ⁷Be: ядро ⁷Be захватывает электрон из К-оболочки атома и испускает Нейтрино, превращаясь в ядро ⁷Li, ⁷Ве (е^-, n_e)⁷Li; при этом, если Нейтрино — реальная частица, ⁷Li получает импульс, равный и противоположный по знаку импульсу Нейтрино Первый успешный опыт с этой реакцией был выполнен американским физиком Дж. Алленом в 1942. Оказалось, что энергия отдачи ионов ⁷Li согласуется с теоретическим значением (в предположении нулевой массы Нейтрино). Последующие опыты с большей точностью подтвердили этот результат. Существование Нейтрино стало экспериментальным фактом. В физике появилась новая частица, все свойства которой были определены из косвенных экспериментов.

  Обнаружение свободного Нейтрино в процессе обратного b-распада стало возможным после создания мощных ядерных реакторов и больших водородсодержащих сцинтилляционных детекторов. В реакторе в результате b^--распада осколков деления урана испускаются антинейтрино с энергией до 10 Мэв, в среднем 6 частиц на 1 деление. Поток антинейтрино от мощного реактора составляет (вблизи реактора) около 10¹³ частиц на 1 см² в 1 сек.

Эксперимент по прямому детектированию n_e впервые был осуществлен в 1953 в США Ф. Райнесом и К. Коуэном на реакторе в Хэнфорде. Регистрировалась реакция (2') на водороде, входящем в состав сцинтилляционной жидкости с добавкой соли кадмия, сильно поглощающего нейтроны. С помощью техники запаздывающих совпадений удалось выделить из фона характерную цепочку событий, вызываемых антинейтрино: позитрон, рождающийся в реакции (2'), аннигилируя с электроном, испускает два g-кванта, которые производят первую сцинтилляционную вспышку; через 5—10 мксек за ней следует вторая вспышка от g-квантов, испущенных ядром кадмия в результате захвата нейтрона, образовавшегося в реакции (2') и замедлившегося в водородсодержащей жидкости. В 1956—59 опыт был повторен в лучших условиях (рис. 1). Было получено сечение s = (11 ± 2,6)·10^-44см². Теоретическая величина сечения (усреднённого по спектру антинейтрино) в предположении двухкомпонентного Нейтрино (см. ниже) равна (10—14)×10^-44см². Эти опыты окончательно подтвердили существование свободного Нейтрино

Рис. 1. Схема опыта Ф. Райнеса и К. Коуэна (1958) на реакторе в Саванна-Ривер, США: 1 — жидкий сцинтилляционный детектор (1400 л) для регистрации антинейтрино; 2 — сцинтилляционный детектор для регистрации фона космических лучей, включенный на антисовпадения с детектором 1; 3 — две группы фотоумножителей, включенные на совпадение; 4 — электронная аппаратура; 5 — двухлучевой осциллограф; 6 — свинцовый и парафиновый экраны для защиты от излучений реактора.

Нейтрино (итал. neutrino, уменьшительное от neutrone — нейтрон), электрически нейтральная элементарная частица с массой покоя много меньшей массы электрона (возможно равной нулю), спином¹/₂ (в единицах постоянной Планка ) и исчезающе малым, по-видимому, нулевым, магнитным моментом. Н. принадлежит к группе лептонов, а по своим статистическим свойствам относится к классу фермионов. Название «Н.» применяется к двум различным элементарным частицам — к электронному (n_e) и к мюонному (n_m) Н. Электронным называется Н., взаимодействующее с др. частицами в паре с электроном е^- (или позитроном е⁺), мюонным — Н., взаимодействующее в паре с мюоном (m^-, m⁺). Оба вида Н. имеют соответствующие античастицы: электронное

и мюонное

антинейтрино. Электронные и мюонные Н. принято различать с помощью сохраняющихся аддитивных лептонных квантовых чисел (лептонных зарядов) L_e и L_m, при этом принимается, что L_e= + 1, L_m = 0 для n_е и L_e = 1, L_m = 0 для , L_e = 0, L_m = + 1 для n_m и L_e = 0, L_m = — 1 для . В отличие от др. частиц, Н. обладают удивительным свойством иметь строго определённое значение спиральности l — проекции спина на направление импульса: Н. имеют левовинтовую спиральность (l = —¹/₂), т. е. спин направлен против направления движения частицы, антинейтрино — правовинтовую (l = + ¹/₂), т. е. спин направлен по направлению движения.

  Н. испускаются при бета-распаде атомных ядер, К-захвате, захвате m^-ядрами и при распадах нестабильных элементарных частиц, главным образом пи-мезонов (p⁺, p^-), К-мезонов и мюонов. Источниками Н. являются также термоядерные реакции в звёздах.

  Н. принимают участие лишь в слабом взаимодействии и гравитационном взаимодействии и не участвуют в электромагнитном и сильном взаимодействиях. С этим связана крайне высокая проникающая способность Н., позволяющая этой частице свободно проходить сквозь Землю и Солнце.

История открытия нейтрино
Основные свойства нейтрино
Взаимодействия нейтрино
Естественные источники нейтрино