31. Нейтрино и антинейтрино. Экспериментальное доказательство существования нейтрино

Специфические свойства нейтрино (z_v=0; w_v=0; μ_v=0) делают чрезвычайно трудным опыт по обнаружению этой частицы. Оценка сечения взаимодействия нейтрино с ядром приводит к значению около 10^-44 см², что соответствует среднему пробегу в конденсированной среде (n=10²² см^-3)l= 1/(nσ)=10²² см=10¹⁷ км, а в ядерном веществе (n=10³⁸ см^-3)l= 1 /(nσ)=10⁶ см =10 км(в 10¹⁸ раз больше поперечника ядра).

Очевидно, что столь малый эффект от нейтрино можно обнаружить только при наличии мощных потоков этих частиц.

Прямое доказательство существования нейтрино было получено только в 1956 г. Коуэном и Рейнесом, которые зарегистрировали эффект от взаимодействия свободного нейтрино с веществом. Для начала необходимо сделать несколько вступительных пояснений.

Ко времени постановки первого опыта (1953 г.) в физике был четко сформулирован принцип зарядового сопряжения, согласно которому каждая элементарная частица (в том числе нейтральная) имеет античастицу, масса, спин и время жизни которой тождественны, а все заряды (электрический, барионный и др.) противоположны соответствующим зарядам частицы.

Первоначально считали также, что из принципа зарядового сопряжения следует симметрия частиц и античастиц относительно каждого вида взаимодействия, в которых они участвуют (сильное, электромагнитное, слабое). Позднее (1956 г.) выяснилось (см. § 18, п. 8), что это справедливо только по отношению к сильному и электромагнитному взаимодействиям. Что касается слабого взаимодействия, то относительно него инвариантными являются не C-сопряженные, a CPT-сопряженные процессы, где С, Р и Т - соответственно операции зарядового сопряжения, пространственной инверсии и обращения времени.

Кроме того, у частицы и античастицы есть еще один заряд (не электрический), который также различен по знаку для электрона и позитрона. Действительно, β-распад не может происходить по схеме

(A, Z) → (A, Z+(-) l) + e^—(+), (18.19)

хотя она и удовлетворяет закону сохранения электрического заряда. Это означает, что процесс (18.19) запрещен законом сохранения некоторого другого заряда, которым наряду с электрическим обладает электрон (позитрон) и который не сбалансирован в схеме (18.19), потому что нуклоны и, следовательно, состоящие из них ядра (A, Z) и (A, Z± 1) этого заряда не имеют.

Добавление в правую часть схемы (18.19) нейтрино делает β-распад возможным:

(A, Z)→(A, Z± l) + e^—(+) +v. (18.20)

Следовательно, в схеме (18.20) новый заряд электрона (позитрона) оказывается скомпенсированным аналогичным зарядом нейтрино.

Назовем этот новый заряд лептонным электронным зарядом и обозначим буквой L_е. Поскольку заряд античастицы должен быть противоположен заряду частицы, условимся, что L_e(e^-)=+1, aL_e(e⁺ )= -1. Тогда закон сохранения лептонного заряда, который выполняется в схеме (18.20), требует, чтобы нейтрино, испускающееся вместе с позитроном, имело L_e (v) = +1, а нейтрино, испускающееся вместе с электроном, имело L_e(v)= -1. Назовем первую частицу электронным нейтрино v_e, а вторую - электронным антинейтрино v_e.

Итак, в соответствии с законом сохранения лептонного заряда схемы β^±-распада и е-захвата записываются теперь так:

(A, Z)→(A, Z+l) + e^-- +v_e; (18.21)

(A, Z)→(A, Z-l)+e⁺+v_e; (18.22)

(A, Z)+e^--→(A, Z-l) + v_e. (18.23)

Процесс (18.21) сводится к преобразованию одного ядерного нейтрона в протон по схеме

n→р + е^-- + v_e, (18.24)

а процесс (18.22) - к преобразованию одного ядерного протона в нейтрон:

р→n+е⁺ + v_e. (18.25)

В этих схемах нейтрино v_e и антинейтрино v_e - разные частицы, так как они имеют различные по знаку лептонные заряды.

Процессы (18.24) и (18.25) можно переписать в форме

v_e+n→p + e^--; (18.26)

v_e+ p→n + e⁺ (18.27)

(так называемый обратный β-распад).

Вернемся теперь к опыту Рейнеса и Коуэна. Идея этого опыта заключается в экспериментальном обнаружении процессов (18.26) или (18.27) под действием свободных нейтрино, т. е. в условиях, когда источник нейтрино находится вдали от мишени. Эффективное сечение этих процессов при энергии порядка 1 МэВ должны быть, как показывают теоретические оценки, порядка 10^-44 – 10^-43 см². Поэтому для проведения такого опыта необходимы очень интенсивные потоки нейтрино или антинейтрино.

Н а (рис.107) изображена схема установки Коуэна и Рейнеса для регистрации антинейтрино в реакции (18.27). Установка состоит из трех больших (1,9 х 1,3x0,6 м) баков-детекторов Д1 Д2 и Д3, разделенных двумя баками-мишенями M1 и М2 толщиной по 7 см. Баки-детекторы были заполнены сцинтилляционной жидкостью, и просматривались 110 фотоумножителями. В качестве наполнителя баков-мишеней использовалась вода, содержащая растворимую соль кадмия. Для защиты от нейтронов и γ-излучения вся установка была помещена в свинцово-парафиновый ящик и погружена глубоко под землю в районе реактора.

Взаимодействие антинейтрино v_e, вылетевшего из активной зоны ядерного реактора, с одним из протонов ядер мишени по схеме (18.27) приводит к образованию нейтрона n и позитрона е⁺ .

В результате серии последовательных соударений с протонами нейтрон замедляется, диффундирует и через некоторое время захватывается ядром кадмия, испускающим несколько γ-квантов (с общей энергией до 10 МэВ), которые регистрируются детекторами Д1 и Д2, включенными в схему совпадений. Позитрон быстро тормозится и аннигилирует с электроном, давая дваγ-кванта с общей энергией около 1 МэВ, которые также регистрируются детекторами Д1 и Д2.

Каждый бак-мишень с двумя соседними баками-детекторами составлял независимую систему, сигналы с которой подавались на вход анализатора, где они сортировались по амплитуде и времени сдвига совпадений. Кроме того, сигналы фотографировались с помощью трехлучевого осциллографа, каждая из пластин которого была соединена с одним из детекторов. Таким образом, реакция (18.27) должна сопровождаться появлением в установке двух импульсов, сдвинутых на время замедления и диффузии нейтрона (от 1 до 25 мкс). При этом первый импульс должен иметь характеристики, соответствующие аннигиляционнымγ-квантам, а второй - γ-квантам от захвата нейтрона кадмием.

В результате длительной (около 1400 ч) работы установки было установлено, что детектор регистрирует за час в среднем 2,88 + 0,22 импульса, что соответствует сечению взаимодействия антинейтрино с протоном σ= 10^-43 см².

В опыте Коуэна и Рейнеса впервые экспериментально доказано наличие эффекта от взаимодействия с ядром-мишенью свободного антинейтрино, возникающего в процессе распада другого ядра-источника, находящегося на большом расстоянии от ядра-мишени. Поэтому этот опыт можно считать первым прямым экспериментальным подтверждением существования нейтрино.

Уточненное позднее значение сечения захвата антинейтрино протоном

σ=(1,1±0,26) 10^-43 см² согласуется с теорией.