Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Открытие нейтрино. Догадка В. Паули. Слабое взаимодействие

Наличие неуловимой частицы было предсказано в 1930 году Вольфгангом Паули (1900–1958) исходя из данных по бета-распаду. Этот тип распада перегруженных нейтронами ядер связан с превращением нейтрона в протон:

То, что в этой реакции рождается третья частица, в 1930 году было неизвестно. Бета распад обладал необъяснимыми свойствами: испускавшиеся релятивистские электроны обладали непрерывным спектром, однако при распаде одной покоящейся частицы на две из законов сохранения энергии конечных частиц должны определяться однозначно! Более того, сам Нильс Бор выдвинул гипотезу несохранения энергии в актах бета-распада! Надо отметить, что энергетические спектры электронов бета-распада (бета-частиц) исследовал еще в 1914 году Джеймс Чедвик.

Более того, Паули заметил, что спин ядер, подвергшихся бета-распаду, в отсутствие нейтрино должен изменяться на , ибо спин электрона равен как раз . Это противоречило наблюдаемым фактам: ядра с целым спином превращаются в ядра с целым спином. В современном понимании распад нейтрона на протон и электрон запрещен законом сохранения момента импульса, поскольку все три частицы имеют спин , и мы получаем переход состояния с полуцелым спином (нейтрон) в состояние с целым спином (протон+электрон). Поэтому Паули предположил, что в состав ядер входит еще одна, нейтральная частица — он назвал ее нейтроном — которая обладает очень малой массой и испускается при бета-распаде вместе с электроном. Эта частица должна чрезвычайно слабо взаимодействовать с веществом — иначе бы ее обнаружили в эксперименте.

Удивительно, что Паули оказался практически прав: единственное, что поправило время — это название его частицы, которая после открытия «тяжелого» нейтрона была названа нейтрино (итал. нейтрончик). Кроме того, сейчас принято именовать частицу, испускающуюся при бета-распаде, антинейтрино. Это сделано для того, чтобы лептонные заряды электрона и нейтрино был одинаковыми, а не противоположными. С другой стороны, можно было назвать электрон антипозитроном, но поскольку почти вся наблюдаемая атомная материя во Вселенной содержит именно электроны, называть их античастицами было бы неестественным.

Нейтрино действительно чрезвычайно слабо взаимодействует с веществом: в стали оно пролетает межзвездные расстояния, не поглощаясь. Поэтому регистрация нейтрино в земных условиях была настоящим вызовом природе. Этот вызов был брошен Клайдом Лорейном Кованом (1919–1974) и Фредериком Райнесом (1918–1998) в их эксперименте 1956 года. Идея эксперимента состояла в том, что вместе с бета-распадом в ядрах может происходить и его кросс-симметричный аналог:

после чего испущенный электрон быстро аннигилирует с электроном одного из соседних атомов. Испущенные в результате аннигиляции фотоны жесткого гамма-излучения регистрируются детектором.

Сама установка по регистрации нейтрино была построена гораздо хитрее. Нейтрино, которые, как предполагалось, исходили от функционирующего ядерного реактора, попадали в емкость с водой. Захват нейтрино ядрами атомов водорода (протонами!) мгновенно лишал ядро электрического заряда, и освободившийся электрон аннигилировал с позитроном, рождая два гамма-кванта. В воду было добавлено вещество, которое при поглощении гамма-фотонов излучает видимый свет — сцинтиллятор. В воду была также помещена соль кадмия, который обладает свойством активного захвата нейтронов:

Существенно, что процесс захвата нейтрона с образованием промежуточного ядра происходит очень быстро, а переход этого ядра в основное состояние с испусканием фотона — на 5 микросекунд позже. В результате о поглощении нейтрино ядром атома водорода будут свидетельствовать две сцинтилляционные вспышки с разницей по времени в несколько микросекунд. Эксперимент в его окончательном виде проводился под землей, на расстоянии 11 метров от реактора, при этом массив из более ста фотоумножителей регистрировал примерно три нейтрино в час. За открытие нейтрино Фредерик Райнес был удостоен Нобелевской премии по физике 1995 года (Клайд Кован скончался в 1974 году).

Нейтрино остается загадочной частицей и на сегодняшний день. Во-первых, эта частица напрямую участвует только в слабом и в гравитационном взаимодействиях (в электромагнитном и сильном — только через рождение промежуточных частиц), что действительно препятствует ее легкому обнаружению. Во-вторых, известно три типа нейтрино — электронное, мюонное и таонноое — которые вместе с соответствующими лептонами (электроном, мюоном и тау-лептоном) образуют дублеты, которые по отношению к слабому взаимодействию надо рассматривать как состояния одной частицы. Это, однако, относится к левым электронам и нейтрино. Правые электроны участвуют в электромагнитном взаимодействии наряду с левыми, но правые нейтрино не должны принимать участие ни в электромагнитном, ни в слабом взаимодействии. Поэтому эти состояния нейтрино называют стерильными  и до сих пор неизвестно, существуют ли такие частицы в природе. Еще одним животрепещущим вопросом физики нейтрино является вопрос о его массе: в рамках общепринятой теории элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий — Стандартной модели — считается, что нейтрино не имеют массы. Современные эксперименты направлены не только на поиск и измерение массы нейтрино, но и на изучение ее природы. Последний вопрос выводит за рамки Стандартной модели в самые современные области теоретической физики: Великое объединение, суперсимметрию и др. Сейчас же можно наверняка сказать только одно: масса нейтрино не равна нулю, хотя и очень мала (не более десятой электронвольта). Об этом свидетельствуют наблюдения осцилляций нейтрино — периодических переходов нейтрино из одного типа в другой.

<<К предыдущему эксперименту  |  Квантовая теория  |  К следующему эксперименту>>