Неуловимые нейтрино и как их обнаружить

Как поется в одной известной песне - Я спросил у ясеня: «Где моя нейтринная?»...

Ясеню на такой вопрос физика-романтика ответить затруднительно, а вот нейтринному телескопу это под силу. Изначально физики экспериментально подтвердили существование нейтрино, порождаемых атомными реакторами, а в наше время ловить потоки нейтрино можно и от звезд - используя нейтринный телескоп. Но прежде чем мы расскажем вам о нейтронном телескопе и займемся ловлей нейтрино, давайте разберемся, что это за товарищи такие.

Начнем с открытия Анри Беккерелем радиоактивного излучения, которое делится на α и β- излучения и γ- лучи.

111

Иллюстрация трех вышеописанных видов радиоактивного излучения.

Нас в данном случае должно интересовать β–излучение, точнее β-распад (превращение нейтрона внутри атомного ядра в протон). С α- и γ- распадом не возникало проблем, в то время как протекание реакции β – распада…не соответствовало законам сохранения!  Куда-то исчезает энергия! Эта новость приводила в замешательство множество ученых. Даже сам Нильс Бор начал сомневаться в справедливости законов сохранения для мира элементарных частиц.

Многим не хотелось списать со счетов фундаментальные законы физики, кое-кто даже иронизировал по этому поводу. Одним из таких несогласных был ученый Вольфганг Паули, который взялся за решение столь интересной задачи. Он предположил, что существует еще одна элементарная частица, которая настолько мала, что детектор не может ее зафиксировать и энергия которой позволяет закону сохранения энергии выполняться при бета-распаде.

neutrino-1-2

Первоначально ее называли «нейтроном», однако это название позднее получила частица, открытая Джеймсом Чедвиком. Ее масса была чуть больше массы протона, в то время как частица Паули была намного легче него, хоть и также имела нейтральный заряд. Неуловимую частицу стали называть «нейтрино», что буквально переводится как «нейтрончик». Имя ей дал ученый Энрико Ферми, об исследованиях которого мы поговорим подробнее. Энрико установил, что нейтрино образуются в ходе бета-распада, а не входят в состав ядра изначально.

Основываясь на теории Ферми о β-распаде, немецкие ученые Рудольф Пайерлс и Хане Бете предположили, что нейтрино можно поймать в обратном процессе – поглощении атомом нейтрино. Увы, но вероятность протекания такого процесса оказалась невелика.

Несмотря на столь неутешительные прогнозы немецких физиков, работа по ловле нейтрино шла активно. Любопытный эксперимент провели Джеймс Чедвик (уже известный нам по открытию нейтрона) и Дэвид Ли. Ученые поместили между радием и детектором свинцовые пластинки разной толщины. Они должны были замедлить  частицы и облегчить процесс регистрации. С помощью данной установки ученые хотели измерить проникающую способность нейтрино. Из этого опыта выяснилось, что частицы могут преодолевать огромные расстояния, не затронув при этом ни одного атома!

Немаловажную роль в ловле нейтрино играет не только само устройство установки, но и место, где производится регистрация. Это в своих опытах учел Морис Намиас, который предусмотрел наличие фоновых излучений, которые могут повлиять на результаты эксперимента. Для устранения этой проблемы ученый поместил детектор под землю – на одну из станций лондонского метро. Несмотря на то, что частицу обнаружить не удалось, метод прижился и используется при установке современных нейтринных телескопов.

Станция, на которой проводил свой эксперимент Морис Намиас

Станция лондонской подземки, на которой проводил свой эксперимент Морис Намиас

Так кто же смог придумать действенный способ обнаружения нейтрино? Таким человеком стал Бруно Понтекорово – ученик Энрико Ферми. Он смог серьезно продвинутся в исследованиях, основываясь на свойствах нейтрино, открытых Ферми.  Одно из них мы выделим:
Если нейтрино попадает по атому, то он превращается в атом другого элемента, занимающего следующую клетку в таблице Менделеева. Это происходит из-за того, что один из нейтронов в ядре становится протоном.

Требуемые характеристики вещества для эксперимента, которое будет обстреливаться нейтрино

  1. Дешевизна, ибо его понадобится большое количество
  2. Радиоактивность, иначе реакцию нельзя будет зарегистрировать
  3. Продолжительный период распада, иначе не хватит времени для регистрации реакции

Для проведения эксперимента предполагалось использование моющего средства, которое бы не содержало воды, но в нем было бы большое содержание атомов хлора, которые необходимы для замедления нейтрино.
Сам Бруно не провел такой эксперимент, его осуществили другие.

Нейтрино и изотоп хлора-37

Нейтрино и замедляющий его изотоп хлора-37

Несколько иной метод был предложен Фредериком Рейнесом и Клайдом Коуэном. Для регистрации нейтрино они решили воспользоваться другим следствием из теории Ферми:

При поглощении протоном нейтрино, он превращается в нейтрон и испускает позитрон – античастицу электрона.

Таким образом, задача несколько изменилась. Теперь ученым нужно было регистрировать позитрон, наличие которого говорило бы и о присутствии нейтрино. Для этого они решили использовать органические жидкости – несмешивающиеся с водой органические иониты (твёрдые вещества, способные обмениваться ионами с соседним веществом). Это вещество ученые поместили в бак с фотоэлектронными умножителями – приемниками излучения, которые преобразуют световой сигнал в электрический. Они и должны были фиксировать вспышки, вызываемые позитронами. Изначально ученые хотели поместить детектор на расстоянии 40 метров от места, где планировали взорвать атомную бомбу, взрыв которой произвел бы выброс большого количества нейтрино, но затем решили использовать для эксперимента атомный реактор (как-то безопаснее получалось). Конечно, при его работе поток нейтрино был бы меньше, зато изоляция от космических лучей намного лучше.

Детектор представлял из себя установку, собранную из бака с сцинтиллирующей жидкостью объемом 300 литров. Сцинтилляторы – вещества, излучающие свет при поглощении ионизирующего вещества. Жидкость, необходимая для эксперимента, является органической и содержит эти самые сцинтилляторы. В нее были помещены 90 фотоэлектронных умножителей – приборов, превращающих световую энергию в электрическую. С помощью жидкости можно определить продукты реакции, а ФЭУ нужно для того, чтобы узнать в каком месте эта реакция произошла. Внутри бак был покрыт веществами, экранирующими рассеянные γ-лучи и нейтроны.

Эксперимент с этой конструкцией, помещенной недалеко от реактора в Хэнворде, был назван «Проект Полтергейст»

Клайд Коуэн и Фредерик Рейнес за работой на проектом

Клайд Коуэн и Фредерик Рейнес за работой над проектом.

Результаты были удивительными. Даже когда реактор не работал, регистрация продолжалась. Выяснилось, что космические лучи способны создавать двойные вспышки, которые фиксировал детектор. Тем не менее, при работе реактора регистрировалось больше вспышек, что позволяло предполагать наличие потоков нейтрино среди прочих излучений.
Ученых это открытие обрадовало, но на нем они не успокоились. Надо было убедиться в том, что они действительно поймали нейтрино. Для этого они поместили несколько измененную установку рядом с реактором, который был мощнее предыдущего. Усовершенствованный детектор поместили под зданием, где находился реактор, что позволило защитить его от действия нейтронов в реакторе и космических лучей.

И… Наконец-то была поймана эта удивительная частица!

Анастасия Белых, специально для MakeItQuantum

P.S. продолжение рассказа о нейтрино ждите совсем скоро!

 

Комментарии: