О

Гипотеза нейтрино

дновременно с «азотной катастрофой» в физике ядра возникло и другое не менее существенное противоречие. Исследования энергетического спектра электронов распада показывали, что в процессе распада испускаются электроны всех энергий в интервале от нуля до некоторой максимальной энергии T_max, приблизительно равной разности энергетических состояний исходного и конечного ядер:

(19.2)

Интерпретация непрерывного характера спектра электронов распада вызвала существенные трудности. Казалось, что подобно распаду, при котором испускаемые частицы имеют вполне определенную энергию, распад также должен сопровождаться испусканием моноэнергетических электронов с энергией, определяемой энергетическими состояниями исходного и конечного ядер. Для объяснения непрерывного характера спектра электронов был выдвинут ряд гипотез. В одной из них предполагалось, что при распаде происходят переходы в различные возбужденные состояния конечного ядра, после чего энергия возбуждения снимается за счет излучения кванта. В случае большого количества возбужденных уровней конечного ядра должен был получаться практически непрерывный спектр электронов и излучения. Однако эксперименты показывали, что спектр излучения, сопровождающего распад, дискретен, а в ряде случаев распад вообще не сопровождается испусканием квантов.

Согласно другой гипотезе предполагалось, что в процессе распада испускаются электроны с одной и той же энергией E_, но часть своей энергии они теряют при взаимодействии с электронами оболочек собственного и ближайших атомов. Для проверки этой гипотезы в 1927 году Чарльз Эллис и Уильям Вустер осуществили калориметрический опыт по определению полной энергии электронов распада. В толстостенный медный калориметр помещался завернутый в непрозрачную для электронов свинцовую оболочку препарат . Вся энергия электронов выделялась в свинце и могла быть измерена. В случае верности второй гипотезы энергия электронов оказалась бы равной максимальной энергии спектра висмута (1,2 МэВ). Однако в измерениях Эллиса и Вустера для этой энергии было получено значение 0,33 МэВ, близкое к средней энергии спектра висмута.

В 1930 году были опубликованы результаты опытов Мейтнер и Ортмана, подтверждающих вывод Эллиса и Вустера о нарушении баланса энергии в распаде. В итоге у некоторых физиков возникли сомнения в универсальном характере закона сохранения энергии.

Будучи уверенным в справедливости закона сохранения энергии, Паули в 1931 году выдвинул гипотезу о том, что при распаде наряду с электроном с энергией T_e испускается неизвестная частица, характеризующаяся очень слабым взаимодействием с веществом и, соответственно, чрезвычайно высокой проникающей способностью, которая и уносит энергию (E_ – T_e), так что суммарная энергия электрона и гипотетической частицы равна энергии распада E_. Некоторые свойства гипотетической частицы было легко предсказать. В соответствии с законом сохранения электрического заряда, а также с тем фактом, что частица не ионизирует атомов вещества, сквозь которое она движется, ее электрический заряд должен был равняться нулю. Массу частицы также следовало считать близкой к нулю, т.к. она уносила большую часть энергии распада. Поэтому по предложению Ферми гипотетической частице было присвоено название «нейтрино» (маленький нейтрон). Нейтрино должно было характеризоваться полуцелым спином. Это следовало из того факта, что при распаде массовое число ядра A не менялось (т.е. характер спина ядра сохранялся), а электрон уносил спин ½, что должно было бы в отсутствие нейтрино приводить к изменению характера спина ядра. Противоречие снималось в предположении о полуцелом спине нейтрино. Впоследствии теоретический расчет формы спектра, выполненный в разных предположениях о значении спина нейтрино, показал, что его спин также должен равняться ½.

Нейтрино было чрезвычайно сложно обнаружить в эксперименте из-за его огромной проникающей способности. Было понятно, что помимо энергии оно должно уносить и импульс. Первые эксперименты по измерению импульсов продуктов распада, выполненные А. И. Лейпунским в 1936 году, дали лишь слабые указания на существование нейтрино. В 1938 году А. И. Алиханов и А. И. Алиханьян предложили исследовать отдачу ядра в реакции K-захвата . Импульс ядра должен быть равен импульсу нейтрино и противоположен ему по направлению. Успешный опыт по измерению энергии отдачи ионов лития был выполнен Джоном Алленом в 1942 году. Было установлено, что величина энергии хорошо согласуется с теоретическим значением, найденным из закона сохранения импульса. Однако прямым доказательством существования нейтрино считается серия экспериментов Фредерика Рейнеса и Клайда Коуэна по обнаружению взаимодействия нейтрино с веществом (1953 – 56 гг.). Установка Рейнеса и Коуэна состояла из трех больших баков – детекторов (1,91,30,6 м), разделенных двумя баками – мишенями толщиной 7 см. В качестве мишени использовалась вода, содержащая растворимую соль кадмия, в качестве детектора – сцинтилляционная жидкость, объем которой контролировался 110 фотоумножителями. Для защиты от всех видов излучения кроме нейтрино установка была заключена в свинцово-парафиновый кожух и располагалась глубоко под землей.

Взаимодействие потока антинейтрино из ядерного реактора, вблизи которого располагалась установка, с протонами ядер мишени в редких случаях приводило к реакции

(19.3)

За короткое время после образования позитрон аннигилировал с электроном, порождая два кванта, которые, разлетаясь в противоположные стороны, регистрировались двумя детекторами, включенными в схему совпадений. Нейтрон в результате последовательных столкновений с протонами замедлялся и захватывался кадмием. Этот процесс сопровождался испусканием нескольких квантов, которые регистрировались теми же двумя детекторами. Таким образом, реакция (19.3) обнаруживалась по появлению в установке двух импульсов, сдвинутых на время замедления и диффузии нейтрона. В результате длительной (около 1400 часов) работы установки было найдено, что детектор регистрирует за час в среднем 2,88  0,22 импульса, вызванных антинейтрино реактора. Это соответствовало сечению взаимодействия антинейтрино с протоном   10^43 см².