Проблема солнечных нейтрино
[pic]
САРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
КАФЕДРА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
ПРОБЛЕМА СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРИНО
РЕФЕРАТ
Студент: Дорохин А. В.
Группа: МФ-49
Проверил: Абрамович С. Н.
Саров
2002
Содержание
Введение
............................................................................
............................................3
Генерация нейтрино в недрах Солнца
.......................................................................4
Проблема солнечных нейтрино ……………………………………………………...5
Эксперименты по обнаружению нейтрино…………………………….…………..11
Подземные детекторы
нейтрино....................................................................
............13
Существует ли проблема солнечных
нейтрино........................................................17
Список использованной
литературы..................................................................
........ 19
ВВЕДЕНИЕ
До начала 30-х годов прошлого столетия никто не подозревал о
существовании нейтрино. Они родились на кончике пера швейцарского физика-
теоретика В. Паули в 1931 году в трудной и неясной ситуации, царившей в
физике в то время. А ситуация была такая: эксперименты показали, что при
испускании электронов атомными ядрами либо не соблюдается известный всем
закон сохранения энергии, либо куда-то уносится энергия. Чтобы пояснить всю
остроту положения, достаточно сказать, что даже сам Н. Бор допускал
возможность нарушения закона сохранения энергии в микромире. Однако Паули
нашел объяснение этому парадоксу, допустив существование нейтрино –
частицы, являющейся, как выяснилось позже, главным действующим лицом во
многих ядерных спектаклях, происходящих как на Земле, так и в космосе.
Благодаря нейтрино недостаток энергии, обнаруженный в опытах по бета-
распаду, легко объяснялся: энергию уносили нейтрино. Тем самым краеугольный
камень физики – закон сохранения энергии – был спасен. "Крестным отцом"
нейтрино стал известный итальянский физик Э. Ферми: именно он дал новой
частице имя, означающее по-итальянски "малая нейтральная частица",
"маленький нейтрон". Он же предсказал ряд ее свойств.
Около четверти века нейтрино существовали только в формулах
теоретической физики. Впервые их зарегистрировали американские ученые Ф.
Райнес и К. Коуэн в экспериментах 1953 – 1956 гг., поместив сложную
экспериментальную установку под "град" нейтрино, источником которых был
мощный ядерный реактор. Уже первые эксперименты подтвердили свойства этих
частиц, предсказанные теорией. Нейтрино перестали быть мифом и теперь
являются полноправными элементарными частицами. Бурное развитие техники
физического эксперимента за последние несколько десятков лет сделало
возможными эксперименты по регистрации нейтрино, рожденных в естественных
условиях, возникла новая область науки – нейтринная астрофизика. Первым
объектом изучения стало наше Солнце.
Нейтрино обозначается буквой ?, является электрически нейтральной
частицей со спином 1/2, то есть фермионом. Принадлежит к классу лептонов,
то есть, к легким частицам. Возможно, нейтрино имеют нулевую массу. К
настоящему времени известно шесть лептонов, три из которых имеют
отрицательный заряд: электрон, мюон и ?-лептон, и три соответствующих
аромата (сорта) нейтрино: электронное ?e, мюонное ?? и тау-нейтрино ??, а
также шесть антилептонов. Выдающийся физик, академик Б. М. Понтекорво
теоретически предсказал существование двух сортов нейтрино – “электронных”
и ”мюонных”. Очень скоро это предсказание блестяще оправдалось на опыте.
Вскоре было открыто также тау-нейтрино. Понтекорво был также первым, кто
указал на важность нейтрино для изучения звездных и, в первую очередь,
солнечных недр.
Важнейшим отличительным свойством нейтрино является их огромнейшая
проникающая способность. Сечение взаимодействия нейтрино с веществом растет
с ростом энергии нейтрино. Общее количество фоновых нейтрино неизвестно, и
оно может быть так же велико, как и количество фотонов. Нейтрино образуются
при превращениях атомных ядер: в Земле в процессах распадов, в атмосфере
при бомбардировке космическими лучами, в Солнце и в звездах.
Регистрируют нейтрино с помощью нейтринных обсерваторий, приборов,
расположенных глубоко под землей, в шахтах. Земля не является преградой для
нейтрино, но задерживает всевозможные помехи, которые существуют на ее
поверхности. То есть, чем глубже находится нейтринный "телескоп", тем
меньше посторонние помехи. Хотя радиоактивный фон и фон реликтовых нейтрино
существует и глубоко под земной поверхностью.
ГЕНЕРАЦИЯ НЕЙТРИНО В НЕДРАХ СОЛНЦА
По существующему представлению, в звездах, подобных Солнцу, синтез
ядер гелия из протонов должен происходить с помощью протон-протонного (р-р)
или углеродно-азотного (С-N) циклов.
В первой реакции p-p цикла при столкновении двух протонов образуются
ядро дейтерия и позитрон. Вероятность этой реакции очень мала, поскольку
для совершения процесса требуется выполнение двух крайне редких условий. Во-
первых, в момент столкновения протонов энергия одного из них должна быть
намного больше средней тепловой энергии, чтобы преодолеть кулоновские силы
отталкивания. Таких частиц очень мало. Во-вторых, необходимо, чтобы за
короткое время ((10-21с) один из протонов превратился в нейтрон, позитрон и
нейтрино. Нейтрон соединяется с протоном с образованием дейтрона, нейтрино
покидает звезду, а позитрон аннигилирует с электроном с образованием гамма-
квантов, которые поглощаются в звездном веществе. Особое внимание к первой
реакции протон-протонного цикла обусловлено тем, что скорость
энерговыделения в недрах Солнца задается именно ею, поэтому она определяет
и темп жизни Солнца, и особенности процессов, происходящих в глубоких его
недрах. Сечение этой реакции столь мало, что в ближайшем будущем вряд ли
удастся в лабораторных условиях его измерить. Это сечение вычисляется
теоретически.
Дейтрон, возникший в первой реакции, быстро (секунды или доли
секунды, в зависимости от температуры) превращается в изотоп 3Не,
соединяясь с протоном. Дальнейшее развитие цикла протекает по различным
каналам, в зависимости от температуры и химического состава звездного
вещества. Установлено, что при Т1 < 15(106 К, при 15(106 < T2 < 25(106 К
и при T3 > 25(106 К преобладает соответственно один из трех различных
вариантов реакций.
Какой бы из циклов ни осуществлялся, конечный итог один: четыре
протона превращаются в ядро гелия-4. При этом неизбежно образуются два
нейтрино и гамма-кванты, а также два позитрона, которые впоследствии,
соединяясь с электронами, тоже дают гамма-излучение. При образовании одного
ядра гелия-4 из четырех протонов выделяется энергия 26,7 МэВ, равная
разности энергии покоя четырех протонов и энергии покоя ядра 4Не. Эта
энергия уносится электромагнитным излучением и нейтрино.
В рассмотренных выше ядерных реакциях возникают гамма-кванты, которые
распространяются в солнечном веществе по всем направлениям. На своем пути
они взаимодействуют с атомами среды, ионами и электронами. В среднем такое
взаимодействие имеет место на пути в 1 см, в то время как радиус Солнца
составляет 7(1010 см. При каждом столкновении фотоны гибнут, порождая
новые. В результате энергия фотонов постепенно уменьшается. Проходят сотни
тысяч лет, прежде чем "дальним родственникам" рожденных в недрах Солнца
гамма-квантов удается выбраться наружу. Но, к сожалению, они мало чем
похожи на своих "предков": в ядерных реакциях рождаются гамма- и
рентгеновские кванты, а выходят из Солнца фотоны оптического и
ультрафиолетового диапазона. Это излучение никак не отражает свойств среды,
в которой первоначально возникли кванты.
Иное дело – нейтрино. Для того чтобы покинуть Солнце, им нужно всего
2 с. Важно и то, что, пройдя сквозь огромную толщу солнечного вещества,
нейтрино сохраняют всю ту информацию, какую они получили в термоядерных
реакциях. Даже ночью солнечные нейтрино приходят к нам, проходя через толщу
Земли, совершенно не замечая ее существования.
Ежесекундно в недрах Солнца сгорает 3,6(1038 протонов. Поскольку при
превращении четырех протонов в ядро гелия-4 рождаются два нейтрино, в
недрах Солнца должны ежесекундно генерироваться 1,8(1038 нейтрино. Если
теперь эту величину разделить на 4?R2, где R = 150(106 км – расстояние от
Земли до Солнца, то получим величину полного потока нейтрино на Земле –
6,6(1010 нейтрино на 1 см2 в 1 с. Важно отметить, что полный поток
солнечных нейтрино слабо зависит от конкретных физических условий,
реализуемых в глубоких недрах нашего светила. В то же время потоки
отдельных групп нейтрино сильно зависят от состояния вещества в центральной
части Солнца. Так, например, при изменении температуры от 12(106 до 14(106
К поток нейтрино, возникающих от распада 8В, меняется более чем в 15 раз, а
поток нейтрино углеродно-азотного цикла – более чем в 10 раз. Это
обстоятельство является исключительно важным, так как по мере удаления от
центра Солнца скорость генерации нейтрино при распадах 8В, 15N и 15О падает
настолько сильно, что их можно не учитывать. Таким образом, измерение даже
одного потока нейтрино от распада 8В позволяет судить о температуре в
центральной области Солнца.
Согласно последним представлениям, горение водорода в недрах Солнца
осуществляется в основном (от 98,4 % до 99,75% по различным данным) через
протон-протонный цикл и только ?1% – через углеродно-азотный цикл.
Расчетное значение температуры в центре составляет 15,6(106 К, а плотность
– 148 г/см3. Нейтрино разных групп отличаются характером спектра, средней
энергией, потоком и эффективной областью их генерации. Область генерации
термоядерной энергии практически совпадает с областью генерации p-p-
