Естественные источники нейтрино

Естественная радиоактивность. Любое космическое тело, в том числе Земля, содержит значительное количество радиоактивных элементов и является источником Нейтрино Регистрация антинейтрино от Земли в принципе возможна, однако методы регистрации ещё не разработаны.

  Столкновение протонов космических лучей с газом и реликтовыми фотонами может приводить к рождению заряженных p-мезонов, распад которых сопровождается испусканием Нейтрино (или антинейтрино). В этом механизме возможна генерация Нейтрино с энергиями вплоть до Е_n = 10²⁰ эв. Источником таких Нейтрино является атмосфера Земли, а также ядро и диск Галактики, где сосредоточена основная масса межзвёздного газа. Нейтрино от столкновения протонов сверхвысоких энергий с реликтовыми фотонами испускаются во всём мировом пространстве. Существует гипотеза, что Нейтрино сверхвысоких энергий являются причиной сверхмощных широких атмосферных ливней (см. Космические лучи).

Атмосфера Земли — пока единственный естественный источник, от которого удалось зарегистрировать Нейтрино Рождаются Нейтрино в верхних слоях атмосферы, где генерируется наибольшее число pи К-мезонов. Впервые идея экспериментов с Нейтрино космических лучей была высказана М. А. Марковым (1960). Было предложено регистрировать глубоко под землёй мюоны с энергией 10—100 Гэв от реакции n_m + n ® р + m^-(**). Регистрируя мюоны из нижней полусферы Земли и под большими зенитными углами, можно избавиться от фона атмосферных мюонов и иметь чистые нейтринные события (**). Первые результаты получены в Индии и в Южной Африке в 1965 с помощью специальных нейтринных телескопов (рис. 4). К 1973 мировая статистика насчитывала свыше сотни нейтринных событий.

; 5, 6 — следы, оставленные, по-видимому, мюоном и пи-мезоном, которые образовались внутри скалы при столкновении n_m с нуклоном. Нейтрино." alt="Рис. 4. а — схема нейтринного телескопа, установленного в шахте Южной Индии на глубине около 2300 м: 1 — пластические сцинтилляционные элементы, площадью 1 м², каждый из которых просматривается двумя фотоумножителями 2; регистрируются четырёхкратные совпадения между парой фотоумножителей на одной стороне и любой парой — на другой; между сцинтилляторами установлено неск. слоев неоновых трубок 3 для фотографирования следов заряженных частиц, образованных нейтрино; 4 свинцовые поглотители толщиной 2,5 см; б — случай неупругого взаимодействия нейтрино, пришедшего из нижней полусферы Земли; 5, 6 — следы, оставленные, по-видимому, мюоном и пи-мезоном, которые образовались внутри скалы при столкновении n_m с нуклоном.">

Рис. 4. а — схема нейтринного телескопа, установленного в шахте Южной Индии на глубине около 2300 м: 1 — пластические сцинтилляционные элементы, площадью 1 м², каждый из которых просматривается двумя фотоумножителями 2; регистрируются четырёхкратные совпадения между парой фотоумножителей на одной стороне и любой парой — на другой; между сцинтилляторами установлено неск. слоев неоновых трубок 3 для фотографирования следов заряженных частиц, образованных нейтрино; 4 свинцовые поглотители толщиной 2,5 см; б — случай неупругого взаимодействия нейтрино, пришедшего из нижней полусферы Земли; 5, 6 — следы, оставленные, по-видимому, мюоном и пи-мезоном, которые образовались внутри скалы при столкновении n_m с нуклоном.

Реакции термоядерного синтеза химических элементов — основной механизм генерации Нейтрино в недрах Солнца и большей части звёзд (в период их «ядерной» эволюции).

Сверхгорячаяплазма служит источником Нейтрино в звёздах на завершающих этапах эволюции, а также в модели горячей Вселенной в первые доли секунды её возникновения. Возможны два вида генерации Нейтрино Первый связан с реакциями взаимного превращения нуклонов

(так называемый урка-процесс) и может идти как на связанных нуклонах ядер при температурах Т ~ 10⁹ К, так и на свободных нуклонах при Т³ 10¹⁰ К. Второй способ, чисто лептонный, связан с реакциями типа

а также с реакциями

(фоторождение Нейтрино),

(нейтринная аннигиляция электрон-позитронных пар) и др., которые происходят, если существует гипотетическое рассеяние n_e + е ®n_e + e (предсказываемое теорией Ферми). Пока не удалось доказать существование n_e + е ®n_e + е — рассеяния лабораторными методами (на Нейтрино от реакторов и ускорителей); считается, что астрофизические данные свидетельствуют в пользу существования такого процесса.

  Реликтовые Нейтрино Согласно модели горячей Вселенной, Нейтрино, испущенные в момент её возникновения, испытывают сильное красное смещение при космологическом расширении Вселенной. Такие реликтовые Нейтрино заполняют всё мировое пространство. В наиболее реалистическом варианте модели горячей Вселенной число мюонных и электронных Нейтрино и антинейтрино одинаково и составляет ~ 200 частиц/см³, а средняя энергия Нейтрино — (2—3)×10^-4 эв, что соответствует температуре нейтринного газа 2—3 К. Для понимания механизма развития Вселенной очень важно экспериментально установить наличие реликтовых Нейтрино и измерить температуру нейтринного газа.

  В рамках модели горячей Вселенной удаётся получить наилучшую оценку для массы мюонного Нейтрино Согласно космологическим данным, плотность материи в расширяющейся Вселенной не может превышать 10^-28г/см³; отсюда следует, что максимально возможная масса мюонного Нейтрино составляет ~ 300 эв (т. е. значительно ниже верхнего предела, установленного лабораторными методами).

Нейтронизация вещества, т. е. превращение протонов в нейтроны по схеме р + е^-® n + n_e, может служить мощным источником Нейтрино, когда звезда по каким-либо причинам теряет гравитационную устойчивость и коллапсирует, превращаясь в нейтронную звезду. При этом огромное число Нейтрино, равное по порядку величины числу протонов в звезде (~ 10⁵⁷), испускается за сотые доли сек. Если коллапсирует горячая звезда, нейтронизация происходит совместно с процессами, характерными для горячей плазмы. Такая ситуация возможна при взрывах сверхновых и при коллапсе гравитационном.

  О возможности регистрации Нейтрино от Солнца и др. звёзд см. Нейтринная астрономия.

Развитие науки о Нейтрино за последние четверть века убедительно доказало, что Нейтрино из гипотетической частицы превратилось в мощный инструмент исследования микрои макромира.

 

  Лит.: Аллен Дж., Нейтрино, пер. с англ., М., 1960; Алиханов А. И., Слабые взаимодействия. Новейшие исследования b-распада, М., 1960; Теоретическая физика 20 века, М., 1962; Окунь Л. Б., Слабое взаимодействие элементарных частиц, М., 1963; Понтекорво Б. М., Нейтрино и его роль в астрофизике, «Успехи физических наук», 1963, т. 79, в. 1, с. 3; Марков М. А., Нейтрино, М., 1964; Железных И. М., Подземные нейтринные эксперименты, «Успехи физических наук». 1966, т. 89, в. 3, с. 513; Ли Ц. и Ву Ц., Слабые взаимодействия, пер. с англ., М., 1968; Бугаев Э. В., Котов Ю. Д., Розенталь И. Л., Космические мюоны и нейтрино, М., 1970; Березинский В. С., Нейтрино, М., 1973.

  Г. Т. Зацепим, Ю. С. Копысов.

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