Физика атома атомного ядра и элементарных частиц 51

Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц 51. (1). Свойства нейтрино.

Характер бета спектров Измерения энергии электронов, вылетающих при бета распаде, показали, что в отличие от аль фа распада энергии электронов не являются определенными, а лежат в интервале от 0 до энер гии Te max E. Распределение электронов по энергиям при бета распаде называется бета спектром. Примерный вид простого бета спектра (например, при распаде нейтрона) изображен на рисунке.

Бывают бета спектры более сложной формы, но об щими свойствами всех бета спектров являются, во первых, их плавность (т. е. отсутствие острых пиков), и, во вторых, наличие максимальной энергии Te max, на которой спектр обрывается. Эти свойства бета спектра являются прямым следствием образования при бета распаде двух частиц: электрона и нейтрино, (а не одной, как при альфа распаде). Поэтому энергия E распределяется между электроном и нейтрино слу чайным образом (часть энергии уносит ядро отдачи, но эта доля еще меньше, чем при альфа распаде, из за очень большой разницы в массах между электро ном и нейтрино с одной стороны и ядром с другой), а при распаде большого числа одинаковых ядер проис ходит статистическое усреднение, что и дает наблю даемый непрерывный бета спектр.

Крайняя левая точка этого спектра (Te = 0) соот ветствует пределу, когда почти вся энергия уно сится нейтрино, а крайняя правая (Te max E ) когда почти вся энергия уносится электроном. В настоящее время, когда факт образования ней трино при бета распаде надежно установлен, эти свойства бета спектра выглядят простыми и очевидными. Однако в 20 е го ды X века, когда XX X изучение бета распада только начиналось и о существовании нейтрино ничего не было из вестно, объяснение непрерывного характера бета спектра вызвало большие трудности.

Высказывались различные гипотезы, вплоть до отказа от закона сохранения энергии, пока, наконец, в 1931 году В. Паули не предложил гипотезу об обра зовании при бета распаде неизвестной тогда новой частицы нейтрино с очень необычными свойствами. Более 20 лет существование нейтрино оставалось ги потезой. Прямой опыт по обнаружению нейтрино был осуществлен только в 1953 году.

Рассматривая внимательно особенности бета распада, можно найти очень важные свойства нейтрино. Во первых, из закона сохранения за ряда следует, что электрический заряд нейтри но равен нулю. Во вторых, при бета распаде массовое число не меняется. Отсюда следует, что характер спина образовавшегося ядра (це лый или полуцелый) должен сохраниться. Т. к. спин электрона полуцелый (равен 1/2 ћ), то спин нейтрино также должен быть полуцелым, т. е. нейтрино принадлежит к классу ферми час тиц. Детальное изучение формы бета спектра показывает, что спин нейтрино, как и спин элек трона, равен 1/2 ћ.

Наконец, из того факта, что нейтрино не ионизи рует атомов вещества, через которое оно проле тает, следует, что магнитный момент и масса этой частицы либо очень малы либо равны нулю. Как в настоящее время установлено, сечение взаимо действия нейтрино с ядром 10 -47 м 2, поэтому средний пробег этой частицы в твердом или жид ком веществе (n 1028 м-3) равен м = 10 16 км, (34. 1) т. е. на много порядков больше, чем диаметр Зем ли. Поэтому вероятность регистрации нейтрино любым детектором разумных размеров (поряд ка 10 м) ничтожно мала, и, следовательно, об наружить какой то эффект от нейтрино можно только при наличии мощных потоков этих частиц (например, от ядерного реактора).

Опыт Аллена (Allen J. , 1942 г) Первый опыт по доказательству существования нейтрино носил не прямой, а косвенный характер. В эксперименте использовался радиоактивный изотоп бериллий 7, который в результате e захва та превращается в литий 7: Явление e захвата отличается от и + распадов тем, что при e захвате из ядра вылетает только одна частица нейтрино, и в этом случае нейтри но и ядро отдачи должны иметь определенные значения энергии и импульса, которые легко подс читать.

Действительно, закон сохранения энергии имеет вид: (34. 2) (энергия нейтрино связана с импульсом ультрарелятивистским соотношением E = pc, т. к. масса покоя нейтрино близка к нулю, а кинетическая энергия ядра отдачи связа на с импульсом нерелятивистской форму лой).

Из закона сохранения импульса следует, что (34. 3) Учтем, что из за огромной разницы в массах меж ду нейтрино и ядром отдачи почти всю энергию EK, выделяющуюся при e захвате, уносит нейт рино: Тогда (34. 4) Кинетическую энергию ядра отдачи можно изме рить непосредственно, причем, как показывает формула (34. 4), в эксперименте выгодно ис пользовать легкие ядра.

Схема опыта Аллена изображена на рисунке. Источник S представ лял собой платиновую пластинку, на которую был нанесен тонкий слой бериллия 7. Энергия EK, вы деляющаяся в процессе e захвата, равна: EK = Eсв(7 Li 3) - Eсв(7 Be 4) + mp - mn + me = 0. 86 Мэв. Зная EK, по формуле (34. 4) легко вычислить кине тическую энергию ядра лития: получается 57 эв. Этой энергии достаточно для того, чтобы ион ли тия вылетел из пластинки; его надо зарегистриро вать и измерить его энергию. Для этого в опыте Аллена использовалась система из двух сеток С 1 и С 2 и детектор (счетчик Гейгера).

Между источником S и сеткой С 1 создавалось ус коряющее напряжение 100 200 В, между сетками С 1 и С 2 переменный задерживающий потенциал, а между сеткой С 2 и детектором ускоряющий по тенциал 3. 6 к. В. Ионы лития втягивались сеткой С 1 в пространство между сетками, тормозились в этом пространстве, а те ионы, которым хватало энергии преодолеть задерживающий потенциал между сетками, пролетали сквозь сетку С 2 и ре гистрировались детектором. Анализируя зависи мость скорости счета детектора от задерживаю щего потенциала между сетками, можно опреде лить максимальную энергию ядер лития; она ока залась равной 56. 6 1 эв, что очень хорошо сог ласуется с теоретической оценкой 57 эв.

Прямой опыт по обнаружению нейтрино был осу ществлен в 1953 году Ф. Рейнесом и К. Коуэном (Rei nes F. , Cowan C. , США), после того, как были постро ены ядерные реакторы, являющиеся мощными ис точниками нейтрино. Поток антинейтрино составляет (вблизи реактора за толстой стеной, защищающей от нейтронов и гамма квантов, но легко проницаемой для нейтрино) примерно 1019 частиц на 1 см 2 в секун ду. В эксперименте Рейнеса и Коуэна регистрирова лась реакция (34. 5) которую можно рассматривать как реакцию, обрат ную распаду нейтрона. (Эта реакция возможна, если энергия антинейтрино превышает 1. 8 Мэв на эту величину масса нейтрона и позитрона превышает массу протона).

Опыты Рейнеса и Коуэна (1953 1958 гг). 1, 2 баки детекторы, 3 фотоумножители (ФЭУ), 4 элек тронная аппаратура, 5 двухлучевой осциллограф 6 свинцово парафиновый экран.

Установка содержит баки детекторы 1 и 2 объемом по 1400 литров, заполнен ные жидким сцинтиллято ром с высоким содержани ем водорода и обогащен ные водным раствором соли кадмия Cd. Cl 2. Для защиты от нейтронного и гамма излучения уста новка была заключена в свинцово парафиновый экран 6 и помещена глубоко под землю; там она и облучалась потоком антинейтрино от ядерного реактора.

Позитрон, возникающий в результате реакции (34. 5) через короткое время (по рядка 10 8 с) аннигилиро вал с электроном с обра зованием двух гамма квантов, которые регист рировались ФЭУ, вклю ченными в схему совпадений (два нижних ФЭУ на рисунке). Нейтрон, возникавший в той же реакции, замедлялся в результате столкновений с протона ми и примерно через 10 мксек поглощался кадми ем с испусканием гамма квантов, которые также регистрировались ФЭУ.

Сигналы с ФЭУ с помощью электронной аппарату ры 4 подавались на вход двухлучевого осциллог рафа 5. Критерием было появление двух скорре лированных импульсов, сдвинутых по времени на 10 мксек (время движения нейтрона). Бак детек тор 2, включенный на антисовпадения с детекто ром 1, предназначался для регистрации (и отсече ния) фона космических лучей, которые могли про никнуть сквозь экран 6. В процессе длительной (около 1400 часов, т. е. около полугода) работы ус тановки регистрировались примерно 3 события в час. Для повышения точности была проведена се рия калибровочных измерений.

Нейтрино и антинейтрино Т. к. нейтрино не имеет электрического заряда, то заранее не очевидно, что у нейтрино есть анти частица. Проверить это можно только экспери ментально. Идея опыта заключается в следую щем. Известно, что изотоп аргон 37 является бета радиоактивным: он испытывает e захват с периодом полураспада ок. 35 суток: 37 Ar 18 + e– 37 Cl 17 + e. (34. 6)

При e захвате образуется нейтрино, а при элект ронном распаде антинейтрино. Если нейтрино и антинейтрино тождественны, тогда при облу чении мишени, содержащей ядра хлора 37 как потоком нейтрино, так и потоком антинейтрино возможна обратная реакция образование ядер аргона 37: e + 37 Cl 17 37 Ar 18 + e– (34. 7) Опыт был впервые поставлен Девисом (Davis R. , 1955 г), а затем повторен в 1956, 1957 и 1959 гг с последовательным улучшением точности экс перимента.

В качестве хлорной мишени был использован че тыреххлористый углерод объемом 117 000 л. В ре зультате было обнаружено, что реакция (34. 7) под действием нейтрино действительно идет, а анало гичная реакция под действием антинейтрино: e + 37 Cl 17 37 Ar 18 + e– (34. 8) не наблюдается. Различие между нейтрино и ан тинейтрино выражается сохраняющимся лептон ным зарядом Le. У нейтрино, так же как у электро на, заряд Le = +1, у антинейтрино и у позитрона, Le = – 1. Поэтому при электронном распаде вместе с электроном рождается антинейтрино, а при позит ронном нейтрино, так что суммарный заряд Le остается равным нулю. При электронном захвате исчезает электрон и рождается нейтрино, поэтому заряд Le остается равным 1.

Кроме лептонного заряда, нейтрино и антинейтрино отличаются друг от друга спиральностью. Спираль ностью называется знак проекции спина частицы на направление ее импульса: спиральность назы вается положительной (или правовинтовой), если эта проекция положительна. Гольдхабер (Goldha ber M. , 1958 г. ) экспериментально обнаружил, что спиральность нейтрино отрицательна (спин нап равлен противоположно импульсу), а спираль ность антинейтрино положительна (спин направ лен по импульсу).

Мюонное нейтрино Распад мюона (1957 г): + e+ + e + – e– + e + Тау лептон и тау нейтрино: Перл (Perl M. ), 1975 г: e– + e+ – + + + + – – + +

Опыт Ледермана и Шварца (Lederman L. , Schwartz M. , 1962 г) (доказательство e ) Мюонное нейтрино образуется при распаде:

Масса нейтрино Опыт В. А. Любимова (1980 г): 14 эв m 46 эв Современные оценки масс нейтрино: m e < 3 эв, m < 0. 19 Мэв, m < 18. 2 Мэв.

Солнечные нейтрино p + p d + e+ + e , E = 0. 42 Мэв (водородные нейтрино), 7 Be + e– 7 Li + , E = 0. 861 Мэв 4 3 e (бериллиевые нейтрино), 8 B 8 Be + e+ + , E = 14. 06 Мэв 5 4 e (борные нейтрино). Каждую секунду Солнце испускает 1. 8 1038 элект ронных нейтрино. Плотность потока Солнечных нейтрино на Земле: водородные нейтрино: 6. 01 1010 частиц/см 2 с, бериллиевые нейтрино: 0. 47 1010 частиц/см 2 с, борные нейтрино: 5. 81 106 частиц/см 2 с.

Опыты по обнаружению солнечных нейтрино Опыты Р. Девиса (с 1968 г): e + 37 Cl 17 37 Ar 18 + e– (37 Ar 18 + e– 37 Cl 17 + e ). Опыты М. Кошиба (с 1987 г): Упругое рассеяние нейтрино на атомарных электронах (электрон, двигаясь в воде со сверхсветовой скоростью, вызывает излучение Вавилова Черенкова, регистрируемое фотоумножителями).

Опыты по обнаружению солнечных нейтрино Опыты в Баксанской обсерватории (Россия) (с 1991 г): e + 71 Ga 31 71 Ge 32 + e– (71 Ge 32 + e– 71 Ga 31 + e). Опыты в Садбери (Канада) (с 1999 г): e + n p + e–.