борьбе с фоном пришлось ввести слишком много критериев отбора полезных
событий, и, тем самым, снизить эффективность регистрации нейтрино.
Эффективность регистрации нейтрино рассчитывалась и проверялась в
контрольных экспериментах. Опытов было проведено очень много. Напри- мер,
для определения наиболее опасной компоненты фона - фона от реактора,
между активной зоной и установкой помещались массивная дополнительная
защита. Потоки всех частиц, кроме нейтрино, ослабляются этой защитой. И
если наблюдаемые события все-таки каким-либо образом имитируются ими, то
число таких событий уменьшается. Однако величина эффекта осталась на
уровне 40 событий в сутки. Эксперимент, вместе с контрольными опытами,
длился 2085 часов, т.е. около трех месяцев чистого времени.
Точность опыта была не велика, однако позволила утверждать, что
вероятность взаимодействия нейтрино с протоном находиться в согласии с
результатами теории Ферми.
В течение 1959-1968 гг. группа физиков во главе с Райнесом уточняла
экспериментальные результаты исследования реакции (4). Одновременно
с
- 17 -
этим, была начата подготовка к другим опытам с реакторными нейтрино:
поиска процесса рассеяния нейтрино на электроне ((e[pic])(e[pic]’) -
взаимодействие) и изучения взаимодействия [pic] с ядром атома тяжелого
водорода - дейтоном. В первом случае был создан уникальный по
чувствительности сцинтилляционный детектор.
После обнаружения нейтрино все сильнее и сильнее в нейтринной фи-
зике стала звучать новая тема - возможность рассеяния нейтрино на
электроне.
В опубликованной в 1964 году книге академика М.А. Маркова читаем:
"Хотя подобный анализ возможностей, открываемых существованием
((e[pic])(e[pic]’))-взаимодействия, очень напоминает дележ шкуры
неубитого медведя, все же обсуждение различных порождаемых взаимодействием
эф- фектов эвристически очень ценно.
... Хотим мы этого или не хотим, но тенденции в развитии физики
слабых взаимодействий привели к тому, что детектирование пока выдуманного
((e[pic])(e[pic]’))-взаимодействия становится проблемой фундаментальной
важности".
Реакция эта выглядит так:
[pic] + е- [pic] [pic]’ +
e-, (5)
т.е. ожидается, что налетающее нейтрино рассеивается на электроне, теряя
часть своей энергии ([pic]’- означает нейтрино с меньшей энергией, чем
[pic]). Если процесс обратного[pic]- распада (эксперимент Рейнеса и
Коуэна) вытекает из самых общих физических принципов, то о существовании
рассеяния нейтрино
на электроне заранее известно гораздо меньше. Конечно, очень заманчиво,
чтобы по аналогии с электродинамикой слабые силы приводили к своеобразному
эффекту Комптона, в котором роль [pic]-кванта играло бы
рассеивающееся нейтрино. Тогда открывалась возможность для массы
интереснейших процессов (например, рождение электрон-позитронных пар
летящим нейтрино), важных для физики элементарных частиц и астрофизики.
Реакция (5) была достоверно обнаружена через двадцать три года
после опытов Рейнеса и Коуэна и через четырнадцать после опубликования идеи
Рейнесом. Все эти годы шло создание и усовершенствование детектора,
накопление экспериментальных результатов.
- 18 -
Вероятность ((e[pic])(e[pic]’))-рассеяния для реакторных нейтрино в
десятки раз меньше, чем вероятность процесса [pic] + р [pic] e+ + n.
Продуктом реакции является электрон отдачи и это не позволяет
использовать такую сложную систему отбора полезных событий и подавления
фона, как это делалось в опыте Рейнеса и Кроуэна.
Если рассмотреть хорошо защищенный столитровый сцинтилляционный
детектор, расположенный в потоке нейтрино 1013 [pic]/см2*с, то число
рассеяний нейтрино на электроне составит в нем пять штук за час. А фон
в области, где лежит основное число электронов, т.е. от 0,2 до 1,5 МэВ,
будет в 100 000 раз больше. Такова количественная оценка трудностей,
стоящих перед экспериментаторами.
Райнес предложил следующее. Он считал, что лучше всего
использовать для регистрации органический сцинтиллятор, который будет
одновременно служить и детектором, и мишенью. Тогда фон будет
обусловлен [pic]-лучами из окружающей среды, а не внутренними
загрязнениями. Разделение эффекта и фона может быть основано на различии
между сигналом от [pic]-квантов и сигналом от электронов отдачи,
созданных антинейтрино.
Рис. 2. Схема установки для обнаружения рассеяния нейтрино на электроне
- 19 -
Точнее на различии их пробегов в веществе. Схема центральной
части установки, собственно сам детектор нейтрино, изображен на рис.2.
Пластический сцинтиллятор разделен на светоизолированные секции.
Свет от каждой их них через светопровод из иодистого натрия и обычный
светопровод попадает на фотоумножитель. Нейтринное событие - это
сцинтилляционная вспышка в одной, и только одной, секции, поскольку
пробег электрона с энергией в несколько МэВ, с большой вероятностью
целиком укладывается в пластическом сцинтилляторе.
Когда в установку попадает [pic]- квант, то он, скорее всего,
регистрируется в активной защите из иодистого натрия, который со всех
сторон толстым слоем окружает пластик. Понятно, что когда это происходит
в боковых охранных кристаллах, то система регистрирует его как фоновый
импульс. А если сцинтилляция возникает в одном из светопроводов, то как
отличить ее от импульса, вызванного нейтрино? Тогда используется тот
факт, что световые импульсы от NaI и от пластического сцинтиллятора по
характеру своего спада и нарастания во времени различны. Специальная
электронная схема разделяет их и считает первый как фон.
Наконец, если [pic]-квант проивзоимодействовал в самом пластике, то
с большой вероятностью это произойдет путем комптон - эффекта. Тогда рас-
сеяный квант еще раз зарегистрируется в детекторе. А любые двойные
события считаются связанными с фоном.
Детектор был окружен пассивной защитой - свинцом и кадмием (для
поглощения нейтронов). Внешняя активная защита представляла собой бак,
содержащий более двух тон жидкого сцинтиллятора, в который и
опускалась вас установка. Все эти меры позволили в десятки раз уменьшить
фон и обнаружить эффект.
При включенном реакторе счет одиночных событий составил 47 собы-
тий/сутки, при выключенном - 40. Разность между ними 7 событий/сутки -
нейтринные события. Можно было считать доказанным существование этого
процесса. Наблюдение рассеяния нейтрино на электроне - одно из самых
высших достижений сцинтилляционной техники и техники регистрации малых
активностей.
- 20 -
3. НЕЙТРИНО И АНТИНЕЙТРИНО.
В 1928 г. Поль Дирак вывел свое знаменитое уравнение. Оно не только
описывало поведение элементарных частиц со спином [pic]/2 (фермионов), но
и предсказывало, что у каждой такой частицы есть своя античастица.
Последняя должна иметь туже массу и спин, что и частица, но
отличатся от нее знаком заряда и магнитного момента (если у частицы
магнитный момент направлен по спину, то у античастицы - против).
Первая античастица - позитрон, была открыта в 1932 г. Затем, более
чем через 20 лет, были открыты антипротон и антинейтрон. Дальнейшее
продвижение в антимир шло более быстрыми темпами.
Нейтрино оказалось некоей двойственной частицей. С одной стороны,
оно относится к семейству фермионов и должно описываться уравнением
Дирака. С другой стороны, отсутствие заряда и магнитного момента делает
непонятным отличие частицы от античастицы.
Теорию, описывающую электрически нейтральные фермионы как истинно
нейтральные, не имеющие античастиц, создал в 1937 году итальянский физик Э.
Майорана. Вопрос же разные ли частицы излучаются при [pic]+- распаде
(электронном захвате) ядра p [pic] n + e+ + [pic] (нейтрино) и при [pic]--
распаде n [pic] p + e- + [pic] (антинейтрино) или идентично [pic]- [pic],
предстояло решить экспериментаторам.
Метод исследования был найден Бруно Максимовичем Понтекорво. Как
уже упоминалось, еще в 1946 г. он размышлял над возможностью регист- рации
нейтрино от ядерного реактора.
" В то время сцинтилляторы, которые много лет спустя были так
успешно использованы Рейнесом и Коуэном для детектирования реакторных
антинейтрино, еще не были созданы, и мне пришло в голову, что проблема
может быть решена радиохимическими методами, т.е. путем химической
концентрации изотопа, образующегося при обратном [pic]- процессе из очень
большой массы вещества, облучаемого нейтрино. При внимательном осмотре
знаменитой таблицы искусственных изотопов Сиборга нашлось несколько
возможных кандидатов на мишень, среди которых наиболее подходящими
оказались соединения хлора. Соответствующая реакция выглядит следующим
образом:
нейтрино + 37Cl [pic] 37Ar + e-,
(5)
- 21 -
где 37Ar распадается путем электронного захвата.…
Я написал здесь "нейтрино", а не [pic], потому, что вопрос о том,
отличается ли [pic] от [pic], был еще не ясен".
Позднее именно процесс (5) был использован для доказательства
отличия [pic] от [pic].
Реакция прямого процесса - электронного захвата имеет вид:
37Ar + e- [pic] 37Cl + [pic],
(p + e- [pic] n +
[pic]). (6)
Аргон-37 распадается со временем жизни около 30 дней, превращаясь
в хлор-37 и излучая нейтрино.
Обратная реакция (5) представляет собой превращение нейтрона в ядре
хлора-37 в протон опять-таки под действием нейтрино [pic] + n [pic] p + e-.
А в ядерном реакторе при распаде осколков генерируются антинейтрино -
частицы, сопутствующие электрону n [pic] p + e- + [pic]. Поэтому процесс
(5) может идти с полной вероятностью только в случае тождественности
нейтрино и антинейтрино.
Эксперименты были поставлены группой американских физиков под ру-
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
