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 [pic]-
распаде путем введения нейтрино".
В конце того же 1933 г., в итальянском журнале "Riecera Scientifica"
появилась статья Энрико Ферми "Попытка построения теории испускания [pic]-
лучей". Это была количественная теория [pic]- распада, исходившая из
того, что
- 8 -
он обуславливается новым видом сил, которые позднее стали называться
слабыми силами.
Теория [pic]-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 [pic]-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 -
2. РЕГИСТРАЦИЯ НЕЙТРИНО.
Какие еще требовались доказательства существования нейтрино, чтобы
оно стало полноправным членом семейства элементарных частиц; таким же,
как электрон, протон или [pic]- квант? Ведь казалось, что опыты,
проведенные А.И. Лейпунским (1936), Дж. Алленом (1942) подтвердили, что в
[pic]- распаде участвует "нечто", уносящее энергию и импульс. Хотя их
результаты и согласовывались с гипотезой Паули и теорией Ферми, все это
были лишь косвенные свидетельства. "Нейтрино" все еще могло оказаться
просто удобной игрой слов, скрывающей за собой нарушение законов сохранения
в слабом взаимодействии. Однозначное доказательство мог дать эксперимент,
в котором эта частица была бы зарегистрирована вдали от точки своего
рождения. Найти недостающую энергию в другом месте и означало доказать
вещественность, физическую реальность частицы, переносящей ее.
Выполнить такой эксперимент представлялось необычайно трудным.
Ведь теория предполагала, что у нейтрино ничего нет - нет массы, заряда,
магнитного момента. Оно не может ионизировать или возбуждать атомы, а
детекторы элементарных частиц чувствительны именно к электромагнитным
процессам.
Если же ничего этого нет, то нейтрино - "чистый" представитель
слабых сил, без всяких электромагнитных свойств. Оно может себя обнаружить,
только если путем слабого взаимодействия передаст часть энергии заряженным
частицам и уже те будут зарегистрированы.
В 1934 г. было предложено использовать для обнаружения нейтрино
(более точно антинейтрино) реакцию, при которой оно взаимодействует с
водородом ( с протонами) и рождает нейтрон и позитрон.
[pic] + p [pic] n +
e+, (4)
Этот процесс обратен [pic]--распаду свободного нейтрона. Реакция эта
по многим признакам была очень привлекательна.
Во-первых, она обязана была происходить, что не было заранее
известно о других процессах с участием нейтрино.
Во-вторых, теория Ферми предсказывала, что в потоке нейтрино не-
больших энергий, например излучаемых при [pic]-распаде ядер, вероятность
этого процесса гораздо больше, чем любого другого.
- 10 -
В-третьих, две частицы, которые вылетают в результате реакции, об-
ладают достаточной энергией и можно надеяться на их регистрацию.
Кроме того, эта реакция имеет энергетический порог. Это означает,
что она идет только в том случае, если энергия нейтрино превышает 1,8 МэВ.
Рассчитать этот порог нетрудно: к разнице масс протона и нейтрона 1,3 МэВ
надо прибавить массу покоя образующегося позитрона 0,5 МэВ. Получаем
1,8 МэВ.
Можно оценить вероятность данного процесса. Если считать, что мы
обладаем источником, излучающим поток нейтрино с энергией 3 МэВ, и этот
поток падает на мишень, например 1 м3 воды (в воде достаточно большая
концентрация протонов), то из 1018 частиц прореагирует лишь одна. Все
познается в сравнении, из 100 [pic]-квантов той же энергии с водой
провзаимодействуют 99. Эти цифры трудно назвать обнадеживающими.
Первые попытки обнаружить взаимодействие нейтрино с веществом де-
лались при помощи источников, которые обладали естественной радиоак
-тивностью. Опытов было сделано много. Часто в них использовались ог-
ромнве (по тем временам) активности. В 1935 г. Намиас пытался определить
число ионов, которые рождает нейтрино в воздухе. (А вдруг у частицы
есть магнитный момент?). Он работал с источником, содержащим 5 грамм радия,
и число нейтрино, излучаемых им во все стороны, составляло приблизительно
1011 частиц в секунду. Ионизации Намиас не обнаружил. Из эксперимента
следовало, что пробег частицы до взаимодействия с атомами воздуха больше,
чем миллион километров, и, значит, ее возможный магнитный момент на
несколько порядков меньше, чем у электрона.
2 декабря 1942 года под руководством Энрико Ферми в Америке был
пущен первый ядерный реактор. В Советском Союзе запуск реактора был
осуществлен 25 декабря 1946 года. Руководил работами Игорь Васильевич
Курчатов. В физике и технике наступала новая эра и она, конечно, коснулась
нейтрино.
Создание ядерных реакторов дало в руки физиков очень мощные ис-
кусcтвенные источники нейтрино. В реакторе ядро 235U (или 239Pl) после
захвата нейтрона делится на два осколка. Образовавшиеся осколки сначала
излучают нейтроны и [pic]- кванты, а затем приходит черед [pic]- распада.
В среднем каждый из осколков претерпевает [pic]- распад три раза,
следо- вательно, при одном делении шесть нейтронов превращаются в шесть про-
тонов, шесть электронов и излучают шесть нейтрино.
- 11 -
Их энергии простираются от 0 до 10 МэВ, но число частиц с большой
энергией крайне мало. Если мощность реактора составляет 1000 МВт, что
не
особенно много по современным масштабам, то в окружающее пространство,
каждую секунду испускается N = 2 *1020 нейтрино. Около 50 МВт уносится
этим излучением, для которого стены, защита, бетонные плиты, да и сам
земной шар - абсолютно прозрачны, так что выражение "обогревать улицу"
здесь вполне уместно заменить на "обогревать Вселенную".
На детектор, расположенный на расстоянии 10-15 м от центра активной
зоны, падает поток нейтрино, равный ~ 3 * 1013 [pic]/см2 *с. Расположить
детектор ближе очень трудно из-за необходимости защиты от других видов
излучения.
Не следует думать, что строительство ядерных реакторов сразу же
поставило вопрос о регистрации нейтрино. "В 1946 г. нейтрино рассмат
-ривалось, вообще говоря, как недетектируемые частицы. Многие уважаемые
физики придерживались того мнения, что даже сам вопрос о детектировании
свободных нейтрино просто бессмысленен (и не только из-за временных
трудностей) так же, как, скажем бессмысленен вопрос, бывает ли в сосуде
давление, меньшее, чем 10-50 атмосферы", - пишет Б. Понтекорво.
Именно он обратил внимание на "нейтринные возможности" реактора.
Впервые зарегистрировали нейтрино вдали от места его рождения амери-
канские физики Ф. Рейнес и К. Коуэн в опытах 1953-1954 гг., при этом
источником нейтрино служил ядерный реактор в Лос-Аламосе.
Хотя погоня за нейтрино началась сразу же после того, как Паули
открыл его "на кончике своего пера", ждать результатов пришлось двадцать
лет. За это время методы ядерной физики совершенно преобразились.
Были созданы мощные источники нейтринного излучения, появились
чувствительные детекторы, содержащие большое количество вещества,
экспериментаторам удалось изобрести методы подавления фона. Проблема фона
в нейтринной физике стоит очень остро, ведь другие частицы, попадая в
нейтринный детектор, тоже регистрируются. Поэтому нужные реакции вполне
могут оказаться незамеченными среди массы других процессов. Потребовалась
многолетняя работа тля того, чтобы научиться выделять нейтринные события
среди фоновых по их специфическим особенностям.
Перед рассмотрением устройства нейтринных детекторов необходимо
остановиться на истории появления счетчиков элементарных частиц и
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
