Проблема солнечных нейтрино

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-

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5



Реклама
В соцсетях
скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты